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我校物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、南京微结构科学与技术协同创新中心的李绍春教授课题组,与美国能源部的Ames实验室Yong
Han, James W.
Evans合作,首次成功利用应力场调控拓扑绝缘体Bi2Te3表面的动力学性质,相关的研究成果以“Tailoring
Kinetics on a Topological Insulator Surface by Defect-Induced Strain: Pb
Mobility on Bi2Te3”为题,近期在线发表于《Nano
Letters》。南京大学为第一完成单位,物理学院已毕业硕士生黄文凯为该论文的第一作者,李绍春教授和Ames实验室的Yong
Han研究员为论文的共同通讯作者。其他参与者包括南京大学的丁海峰教授和万贤纲教授。

感谢南京大学现代工学院的王鹏教授和物理学院陈延彬副教授在数据分析方面提供的帮助。工作得到国家科技部、自然科学基金委、青年千人计划、以及中央高校经费等项目的支持。

由分子束外延方法生长的具有表面应力场的Bi2Te3薄膜表面;Pb原子在引入应力场的Bi2Te3表面的吸附行为;Pb在Bi2Te3表面的扩散势垒随应力的依赖关系。

(物理学院 科学技术处)

该研究中,李绍春课题组通过精确控制分子束外延生长的参数,在Bi2Te3薄膜的表面成功引入应力场,并且通过几何相位分析定性地获得了表面的应力分布。并进一步以Pb/Bi2Te3为模型体系,研究了应力对表面动力学性质的调控。实验发现在表面的应力拉伸区域,Pb倾向于形成团簇的形式;而在表面的无应力区域,Pb倾向于以单个原子的形式吸附于表面。令人意外的是,通过第一性原理计算发现原子在表面的吸附能和扩散势垒都随着应力呈现一个V字形的依赖关系,最小值位于应力系数为~+0.8%处,而并不是应力系数为0处。实际上,大部分的传统半导体或者金属材料的表面吸附能/扩散势垒都是对应力呈现单调变化的依赖关系。深入的分析发现,这种奇特的V字形依赖关系来源于Bi2Te3的特殊原子层结构。当原子在表面发生扩散时,最外层的晶格Te原子和第二层的晶格Bi原子都会对扩散产生影响,共同作用导致了V字形的依赖关系。基于第一性原理的结果进行的蒙特卡罗模拟给出了与实验完全吻合的模拟结果,从而很好地解释了实验现象。在另一种结构相似的材料Bi2Se3表面,也发现了完全相同的实验现象,表明这种奇特的动力学行为很有可能普遍适用于这一类原子结构的化合物。

拓扑绝缘体是近年来被发现具有特殊能带结构的新型量子材料,它的体能带具有带隙,但是表面具有拓扑保护的表面金属态。表面态电子具有自旋和动量的锁定关系,因此非磁性杂质很难引起表面态电子的背散射,电子在输运过程中能耗小,从而拓扑绝缘体材料在未来的量子计算等领域具有潜在的应用价值。另一方面,在拓扑绝缘体/其它量子相的异质外延界面处存在着丰富的物理现象。比如,拓扑-磁耦合导致反常量子霍尔效应,拓扑-超导界面处存在Majorana费米子。因此,如何在实验上构建基于拓扑绝缘体衬底的可控界面,无论是在应用领用,还是从基础研究角度都具有重要的意义。

该工作的意义在于,首次成功利用应力场调控了拓扑绝缘体表面的动力学行为:吸附能和扩散势垒。表面动力学性质,尤其是表面原子的扩散,对异质外延界面的结构起到至关重要的作用。该工作提供了一种可能的途径,即可以利用应力有效地调控拓扑绝缘体的异质外延界面。另一方面,应力本身对拓扑绝缘体的拓扑性质也有重要的作用,比如应力诱导的拓扑-超导相变等等。这种通过分子束外延方法制备的具有应力场分布的拓扑绝缘体为进一步在原子尺度研究应力诱导的拓扑相变提供了理想的材料平台。