表面和界面電子能帶結(jié)構(gòu)的角分辨光電子能譜研究.pdf

1、近年來，拓撲絕緣體作為一種新的量子物態(tài)受到廣泛關(guān)注。從電子能帶結(jié)構(gòu)角度而言，拓撲絕緣體可直接進行實驗觀測的是其特殊的表面態(tài)。拓撲絕緣體的表面態(tài)奇數(shù)次穿越費米能級，受到時間反演對稱性的保護，在沒有磁性雜質(zhì)的前提下，表面態(tài)永遠保持金屬性。最典型的拓撲表面態(tài)是具有自旋—動量鎖定特性的螺旋型狄拉克圓錐能帶結(jié)構(gòu)，其中的電子在確定的動量位置有確定的自旋取向。拓撲絕緣體在未來電子學和自旋電子學方面有重要的潛在應用前景。同時，受到拓撲絕緣體研究的激勵，

2、拓撲超導體的研究也蓬勃發(fā)展，拓撲超導體的研究有望為拓撲量子計算提供可能的載體。本文利用高分辨率角分辨光電子能譜結(jié)合分子束外延，針對Bi(111)薄膜、單層Bi(111)/單層Bi2 Se3復合薄膜以及Na1?y CoO2單晶的表面及界面電子能帶結(jié)構(gòu)及其拓撲量子態(tài)進行了深入而系統(tǒng)的研究，主要結(jié)果如下：
　　一、實驗上發(fā)現(xiàn)在Bi2Te3基底上外延的30nm厚Bi(111)薄膜具有拓撲非平庸的特性。利用分子束外延的方式，我們在 Bi2T

3、e3基底上制備了高質(zhì)量的Bi(111)薄膜，利用高分辨率角分辨光電子首次在表面布里淵區(qū)邊界M點處觀測到一條新的表面態(tài)能帶，該能帶和之前研究中普遍確認的另一條自旋劈裂表面態(tài)能帶簡并于M點，滿足Kramers定理的要求。通過該能帶的發(fā)現(xiàn)，我們確認30 nm厚Bi(111)/Bi2 Te3薄膜的表面態(tài)能帶5次穿越費米能級，呈現(xiàn)出非平庸的拓撲特性。結(jié)合觀察到的體能隙結(jié)構(gòu)，我們認為30nm厚的Bi(111)/Bi2Te3薄膜是一種三維拓撲絕緣體。

4、
　　二、首次實現(xiàn)由單層Bi(111)和單層Bi2Se3(111)構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜分子束外延生長。獨立的單層Bi(111)薄膜和單層Bi2Se3(111)薄膜都是具有能隙的二維半導體。當兩者復合之后，由于界面效應，電子結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化。在第一性原理計算的支持下，我們利用角分辨光電子能譜在該異質(zhì)薄膜中發(fā)現(xiàn)類似拓撲絕緣體表面態(tài)的螺旋型狄拉克圓錐。理論計算表明，兩層薄膜的界面處因為電荷轉(zhuǎn)移而形成了強大的內(nèi)部電場，該電場在Bi層中誘導了

5、極大的Rashba型自旋—軌道耦合，從而將Bi的能帶劈裂，出現(xiàn)螺旋型狄拉克圓錐電子結(jié)構(gòu)。通過兩種有能隙體系的復合構(gòu)造出無能隙的螺旋狄拉克圓錐，為研究螺旋狄拉克圓錐的調(diào)控和探索未來的應用提供了一種新的思路。
　　三、利用角分辨光電子能譜結(jié)合自旋分辨光電子能譜，發(fā)現(xiàn)層狀鈷氧化物Na1?y CoO2中存在特殊的表面態(tài)結(jié)構(gòu)。通過和已有的第一性原理計算結(jié)果的細致對比，我們認為該表面態(tài)和理論預言的表面態(tài)具有相同的物理起源。該表面態(tài)的出現(xiàn)是因為