国防科大&南科大Nano Letters：通过能带调控判断三维拓扑绝缘体在二维极限下的拓扑性

【引言】

现代凝聚态物理的核心目标之一是实现物质的新量子相，并对它们的性质进行实际操控。拓扑绝缘体（TI）为未来的自旋电子学和量子计算带来了巨大的希望。对于大多数此类应用，不可避免地需要精确的控制超薄TI薄膜（几个原子层厚）的层数和组份。

【成果简介】

近日，国防科技大学，南方科技大学以及清华大学的团队研究了(Bi_1-xIn_x)₂Se₃ (0≤x≤1)薄膜的拓扑性质及电子结构演化过程。团队利用分子束外延（MBE）的薄膜制备方式，精确控制(Bi_1-xIn_x)₂Se₃的层厚和组份，并利用角分辨光电子能谱（ARPES）和DFT理论计算，对该体系的能带结构进行了系统地研究，进一步通过层厚和掺杂作为调控手段，研究了该体系的拓扑相变行为。

通过改变薄膜的层数与In的含量实现了薄膜能带的调控，实验和理论确定了(Bi_1-xIn_x)₂Se₃薄膜的几个拓扑相之间的演化过程，以及薄膜作为二维材料的拓扑性。当Bi₂Se₃薄膜层数降低到6层以下时，它的上下表面态发生耦合并使表面态打开带隙，使该薄膜从三维拓扑绝缘体转变为具有带隙表面态的二维绝缘体；随着In掺杂浓度的增加，体系的自旋轨道耦合（SOC）减弱，可以实现(Bi_1-xIn_x)₂Se₃体系由拓扑绝缘体到普通半导体的转变。更重要的是，实验确定了对于三维拓扑绝缘体的Bi₂Se₃二维极限（厚度小于6层），通过掺杂In改变SOC，二维拓扑绝缘体的能隙逐渐增大，见图3a和图4a。该实验结果表明了这类二维薄膜的拓扑平庸性，跟基于杂化泛函的第一性原理理论计算结果相吻合（与之前认为拓扑性随层数变化产生振荡性的预言不同）。该结果提供了一种采用ARPES实验证明二维材料拓扑性质的方法。基于以上研究，最终形成了(Bi_1-xIn_x)₂Se₃薄膜以层厚和In掺杂量为变量的二维相图。该研究成果发表在国际知名期刊Nano Letters上，文章题目为“Dimensional Crossover and Topological Nature of the Thin Films of a Three-Dimensional Topological Insulator by Band Gap Engineering”。文章的通讯作者为国防科技大学王振宇（助理研究员），南方科技大学量子科学与工程研究院陈朝宇副研究员和物理系刘奇航副教授。

【图文简介】

图1 (Bi_1-xIn_x)₂Se₃薄膜表征

a-c) Bi₂Se₃, (Bi_0.4In_0.6)₂Se₃和In₂Se₃薄膜的反射式高能电子衍射谱(RHEED)；

d) 4层Bi₂Se₃薄膜的STM图；

e) 16层In₂Se₃薄膜的STM图；

f) (Bi₄In_0.6)₂Se₃晶格常数α随x含量的变化曲线。

图2 不同x值的(Bi_1-xIn_x)₂Se₃薄膜随着层数增加的能带结构的演化

图3 不同x值，不同层数的(Bi_1-xIn_x)₂Se₃薄膜的相的演化

图4 4层和10层(Bi_1-xIn_x)₂Se₃薄膜随着x值的变化的能带结构演化

【小结】

研究者细致地研究了(Bi_1-xIn_x)₂Se₃薄膜电学性质随着层数和掺杂量x值的变化趋势。结合角分辨光电子能谱学(ARPES)和DFT带隙演化分析，确定了(Bi_1-xIn_x)₂Se₃薄膜从一个特定相位到另一个已知拓扑的相位的演化过程。利用薄膜自身的层厚以及掺杂不同原子为操纵手段是研究拓扑材料的一种实用性强的方法。

文献链接：Dimensional Crossover and Topological Nature of the Thin Films of a Three-Dimensional Topological Insulator by Band Gap Engineering,2019, Nano Letters, DOI：10.1021/acs.nanolett.9b01641.

本文由金也供稿！