拓?fù)浣^緣體和磁性拓?fù)浣^緣體的電子結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、拓?fù)浣^緣體是一種內(nèi)部絕緣，而表面具有有納米級(jí)厚度金屬導(dǎo)電層的新型量子材料。其金屬界面態(tài)受時(shí)間反演對(duì)稱性保護(hù)，不受非磁性雜質(zhì)散射的影響（具有魯棒性），因而在自旋電子學(xué)、量子器件等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。掃描隧道顯微鏡（STM）以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展而來的自旋極化 STM技術(shù)是近二十年來在表面物理和表面磁性研究方面最成功和有效的研究手段之一，其獨(dú)特的表面敏感性正適合于研究拓?fù)浣^緣體這類有豐富表面電子特性的物理體系。
　　在本工作中，我們利

2、用STM研究了二維拓?fù)浣^緣體Bi(111)薄膜在三維拓?fù)浣^緣體表面的生長模式以及 Bi(111)一維拓?fù)溥吘墤B(tài)；利用自旋極化 STM研究了磁性摻雜拓?fù)浣^緣體表面態(tài)的磁各向異性。具體來說，本論文的工作包括以下三個(gè)方面：
　?。?）三維拓?fù)浣^緣體Bi2Se3以及Bi2Te3上超薄Bi薄膜的生長。我們在三維拓?fù)浣^緣體表面上實(shí)現(xiàn)了Bi(111)薄膜的逐層（雙層）生長，并結(jié)合高能電子衍射對(duì)晶格常數(shù)的實(shí)時(shí)精確測量能力以及STM的微觀形貌分辨能

3、力系統(tǒng)研究了Bi（111）超薄膜的生長特點(diǎn)。我們首先研究了Bi(111)在Bi2Se3表面的生長。Bi(111)體材料表面晶格常數(shù)為4.54?，Bi2Se3表面晶格常數(shù)為4.13?，在Bi2Se3上生長Bi(111)時(shí)，由于兩者之間接近9.9％的晶格失配，第一層Bi(111)的晶格被壓縮到了4.21?，然后迅速弛豫到了第二層的4.35?和第三層的4.39?，并從第四層開始緩慢向體材料晶格弛豫。同時(shí)，在第二層的生長初期，發(fā)現(xiàn)了從Bi(11

4、0)到Bi（111）的結(jié)構(gòu)相變；在第二、第三層Bi(111)上發(fā)現(xiàn)了具有準(zhǔn)六角周期性的原子結(jié)構(gòu)彎曲，其中第二層的周期約為9.9nm，第三層的周期約為6.3nm。Bi(111)與Bi2Te3（表面晶格常數(shù)4.38?）表面晶格更加匹配。在此基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步研究了Bi（111）在Bi2Te3表面的生長，與Bi2Se3上的情形相比，由于Bi2Te3的晶格（4.38?）更加接近于Bi(111)體材料，在Bi2Te3上第一層Bi(111)薄膜的邊

5、界更平直，飽和覆蓋率更大，且在更高覆蓋率下并沒有出現(xiàn)晶格畸變，只表現(xiàn)出和Bi2Se3上第四層以后相似的生長特征。
　　（2）Bi(111)雙層（BL）膜中一維拓?fù)溥吘墤B(tài)的空間和能量分布。鑒于在Bi2Te3表面上 Bi(111)薄膜較好的成膜情況，我們在這個(gè)體系中研究了二維拓?fù)浣^緣體 Bi(111)的性質(zhì)。利用STM隧道能譜測量，我們得到了1BL和2BL的Bi(111)薄膜的電子態(tài)密度在邊緣以及內(nèi)部的空間、能量分布；結(jié)合角分辨光電子

6、能譜和第一性原理計(jì)算，我們確認(rèn)了在邊緣上觀察到的邊緣態(tài)屬于二維拓?fù)浣^緣體 Bi(111)雙原子層結(jié)構(gòu)的拓?fù)溥吘墤B(tài)，并得到了拓?fù)溥吘墤B(tài)在能量和空間上的分布。實(shí)驗(yàn)表明，拓?fù)溥吘墤B(tài)位于Bi(111)帶隙中，但能量分布范圍向低能量區(qū)域有擴(kuò)展，且在空間上以約1~2nm寬度分布于邊緣。這些都肯定了理論上對(duì)Bi(111)能帶結(jié)構(gòu)和拓?fù)溥吘墤B(tài)的預(yù)言和描述。
　　（3）拓?fù)浔砻鎽B(tài)的磁各向異性。我們結(jié)合自旋極化STM的表面磁性測量以及振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(

7、VSM)的體磁性測量，系統(tǒng)研究了熔體法生長的磁性拓?fù)浣^緣體Cr0.05Sb1.95Te3的磁性。體測量表明 Cr0.05Sb1.95Te3的易磁化軸垂直于(111)面，矯頑力為50Gs；難磁化軸在(111)面內(nèi)，飽和磁場為1T。但自旋極化STM的表面測量除了發(fā)現(xiàn)了與體測量一致的難易軸行為之外，在（111）面內(nèi)還發(fā)現(xiàn)了矯頑力為500Gs的易軸行為。通過分析能量分辨的表面自旋極化率，我們發(fā)現(xiàn)拓?fù)浔砻鎽B(tài)表現(xiàn)出與體磁性不同的磁化行為，即體材料的