拓扑绝缘体的表面态

拓扑绝缘体的表面态江丙炎、彭宇轩、郑文壮、向鹏展1.背景介绍1.霍尔效应与量子霍尔效应BR图1.经典霍尔效应图2.量子霍尔效应I  1.背景介绍1.霍尔效应与量子霍尔效应BR图1.经典霍尔效应I  图2.量子霍尔效应1.背景介绍2.量子自旋霍尔效应与二维拓扑绝缘体量子自旋霍尔效应可以看作是磁场方向相反的两个量子霍尔系统叠加的结果特点：不存在外加磁场，在其边缘存在两个自旋方向和运动方向都相反的边缘态图3.量子自旋霍尔效应1.背景介绍3.量子霍尔效应与量子自旋霍尔效应HasanMZ,KaneCL.TopologicalInsulators.arXiv:1002.3895;在带隙之内，两条具有不同自旋取向的边缘态从导带延伸至价带，并在k=0处交于一点，自旋只有在这一点才是简并的，而且在交点附近能量与动量之间满足线性的色散关系[1][1]程鹏.拓扑绝缘体表面态的STM研究[D].清华大学,2010.1.背景介绍三维拓扑绝缘体的体态是绝缘性的，边界上存在着与一维边缘态所对应的二维表面态。4.三维拓扑绝缘体2.表面态的实验验证1.二维拓扑绝缘体2006年，张首晟的研究组独立地提出了一种实现量子自旋霍耳效应的一般理论，预言了HgTe/CdTe超晶格结构可以实现量子自旋霍耳效应。2007年，德国的Molenkamp研究组通过实验证实了这一理论预言。2.表面态的实验验证1.二维拓扑绝缘体2.表面态的实验验证1.二维拓扑绝缘体2.表面态的实验验证1.二维拓扑绝缘体2.表面态的实验验证1.二维拓扑绝缘体curved(nm)Size(um)I5.520*13.3II7.320*13.3III7.31.0*1.0IV7.31.0*0.52.表面态的实验验证2.第一代三维拓扑绝缘体理论预测：2007年，Fu和Kane提出了一个甄别拓扑绝缘体 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 的简便方法，大大简化了理论上寻找三维拓扑绝缘体的过程。利用此方法，他们预言Bi1-xSbx合金材料当x处于0.07到0.22之间处于三维拓扑绝缘体相。实验验证：2008年，Hasan研究组利用角分辨光电子能谱研究了高温烧结方法制备的Bi1-xSbx合金样品的表面态能带结构，第一次实验证实了三维拓扑绝缘体的存在。2.表面态的实验验证2.第一代三维拓扑绝缘体2.表面态的实验验证2.第一代三维拓扑绝缘体2.表面态的实验验证2.第二代三维拓扑绝缘体理论预测：2009年，物理所的方忠、戴希与张守晟合作预言了一类全新的拓扑绝缘体：Bi2Se3、Bi2Te3以及Sb2Te3。这类拓扑绝缘体具有稳定的化学配比，结构简单，易于合成；能隙很宽并且只有一个狄拉克点。实验验证：同一年，美国普林斯顿大学的Hasan研究组利用角分辨光电子能谱以及自旋分辨的角分辨光电子能谱对Bi2Se3单晶材料进行了研究，观察到了自旋分辨的表面态狄拉克锥。同年沈志勋也验证了Bi2Te3的拓扑绝缘性，并首次发现其表面态的等能面在k空间是各项异性的雪花形状。2.表面态的实验验证2.三维拓扑绝缘体2.表面态的实验验证2.三维拓扑绝缘体理论预言BulkConductionBandBulkValenceBandSurfacestateCrystalstructureofBi2Te32.表面态的实验验证2.三维拓扑绝缘体Diracconeatpoint E0:bindingenergyofDiracpoint(0.34eV)E1:BCBbottombindingenergy(0.045eV)E2:bulkenergygap(0.165eV)E3:energyseparationbetweenBVBtopandDiracpoint(0.13eV)2.表面态的实验验证2.三维拓扑绝缘体 Firstrow:FermisurfacepocketSecondrow:BanddispersionalongK--K 2.表面态的实验验证2.三维拓扑绝缘体A:3DillustrationofthebandstructureofundopedBI2Te3B-E:Constant-energycontoursofthebandstructureandtheevolutionoftheEf3.拓扑绝缘体表面态的表征1.角分辨光电子谱（ARPES）利用光电效应研究固体的电子结构的表面分析技术,即通过高能光子对材料的电子进行激发,测量激发电子的能量和动量,得到电子的能带结构,并同时测量费米能级附近电子的能量、运动方向和散射性质。ARPES是研究晶体表面电子结构,如能带、费米面以及多体相互作用的重要工具,也是探测拓扑绝缘体的表面态最直接最有效的实验手段之一.拓扑绝缘体Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3的狄拉克锥形的表面电子结构已经相继被ARPES直接观察到。3.拓扑绝缘体表面态的表征2.拉曼光谱在研究固体样品的能带结构和准粒子动力学方面,光谱检测与ARPES有一定互补性.光谱响应能探测带间跃迁,还能探测其它任何能够和光耦合的集体激发如声子的响应。拉曼光谱是利用光照射到样品上发生非弹性散射现象,其光谱特征紧密依赖于样品原子组成、结构、对称性、掺杂等,是一种快速、有效、无损伤的振动光谱检测手段。因此,拉曼光谱可能成为表征拓扑绝缘体二维纳米结构的有效工具,用来研究拉曼特征随厚度的依赖关系、声子和电子-声子的相互作用以及维度尺寸变化对表面态的影响。3.拓扑绝缘体表面态的表征3.显微红外光谱显微红外光谱技术将显微技术与傅里叶变换红外光谱检测结合,是具有很高光谱分辨率和空间分辨率的分子结构的灵敏探针,在微量样品的无损灵敏检测中发挥重要作用.范德华外延生长的拓扑绝缘体二维纳米薄片具有大尺寸、原子级平整、高结晶质量等特点,可望通过微区红外光谱研究拓扑绝缘体的分子结构、新奇磁电效应以及拓扑绝缘体表面化学.此外,在拓扑绝缘体表面组装上磁性材料,拓扑绝缘体可能会打开一个带隙变成二维量子霍尔液体,出现反常磁阻现象。和新奇的拓扑磁电效应3.拓扑绝缘体表面态的表征STM基于量子力学中的隧道效应,通过对针尖与样品之间的隧道电流的测量和控制,可以获得达到原子分辨的样品表面的形貌信息.更重要的是,它能在原子尺度上探测空间局域电子态密度(LDOS),称为扫描隧道谱技术(scanningtunnelingspectroscopy,STS).它可以用于分析包括金属、半导体、超导体等材料的局域态密度,获得更加丰富的电子态分布信息.一些研究组相继开展了对拓扑绝缘体表面态的STM研究,并取得了重要进展.这些研究对于理解拓扑绝缘体的性质具有不可或缺的作用。4.STM（扫面隧道显微镜）4.展望2008年，Kane等人提出了在拓扑绝缘体与普通超导体的界面处有可能产生Majorana费米子。（GL.Fu,C.L.Kane,Phys.Rev.Lett.,100,096407(2008)）Bi2Se3和Bi2Te3是很好的热电材料,拓扑绝缘体是否具有潜在的巨热电效应。（Goyal,V.;Teweldebrhan,D.;Balandin,A.Appl.Phy.Lett.,97,133117.(2010)）拓扑绝缘体表面态电子具有高的迁移率和稳固性,是否可用来发展高效的表面化学催化。（Chen,H.;Zhu,W.;Xiao,D.;Zhang,Z.Phys.Rev.Lett.,107,056804.(2010)）参考文献[1].ChenYL,AnalytisJG,ChuJH,LiuZK,MoSK,QiXL,ZhangHJ,LuDH,DaiX,FangZ,ZhangSC,FisherIR,HussainZ,ShenZX.Experimentalrealizationofathree-dimensionaltopologicalinsulator,Bi2Te3[J].Science.2009Jul;325(5937)178-181.[2].Y.Xia1,D.Qian,D.Hsieh,L.Wray,A.Pal,H.Lin,A.Bansil,D.Grauer,Y.S.Hor,R.J.CavaandM.Z.Hasan.Observationofalarge-gaptopological-insulatorclasswithasingleDiracconeonthesurface[J].NaturePhysics5,398–402(2009)[3].KönigM,WiedmannS,BrüneC,RothA,BuhmannH,MolenkampLW,QiXL,ZhangSC.QuantumspinhallinsulatorstateinHgTequantumwells[J].Science.2007318(5851):766-70[4].何珂,王亚愚,薛其坤.拓扑绝缘体与量子反常霍尔效应[J].科学通报.2014,59(35):3431-3441[5].程鹏.拓扑绝缘体表面态的STM研究[D].清华大学,2010.参考文献[6].M.Z.Hasan,C.L.Kane,Colloquium:Topologicalinsulators.ReviewsofModernPhysics.2010.82.4:3045-3067谢谢