Bi2Se3拓扑绝缘体材料的电子结构研究
拓扑绝缘体材料
拓扑绝缘体材料拓扑绝缘体是一类具有特殊电子结构和拓扑保护性质的材料。
它们在固体物理学和凝聚态物理学中引起了广泛的关注和研究。
拓扑绝缘体的发现为实现高温超导和量子计算等领域的应用提供了新的可能性。
拓扑绝缘体的特殊之处在于其电子能带的带隙内存在着非平凡的拓扑结构。
这些拓扑结构可以保护材料表面或边缘的电子态不受杂质或缺陷的影响,使其具有极高的导电率。
与传统的绝缘体不同,拓扑绝缘体的导电性主要来自于其表面或边缘的拓扑保护态,而非体内的能带。
拓扑绝缘体的电子结构可以通过拓扑不变量来描述。
最常用的拓扑不变量是所谓的Z2不变量,它刻画了材料的拓扑性质。
对于一个二维拓扑绝缘体,其Z2不变量只能取0或1两个值,分别对应于平凡绝缘体和拓扑绝缘体。
而对于三维拓扑绝缘体,其Z2不变量可以取更多的值,因此在拓扑绝缘体的分类和研究中具有重要意义。
拓扑绝缘体的研究不仅在理论上具有重要意义,也在实验上取得了许多突破。
最早被发现的拓扑绝缘体是二维的量子自旋霍尔效应材料,如HgTe/CdTe量子阱。
这些材料在低温下表现出非常高的霍尔导电性,且只有边缘态进行传导。
近年来,研究人员还发现了一类三维的拓扑绝缘体,如Bi2Se3和Bi2Te3等材料。
这些材料在室温下就表现出拓扑保护的表面态,具有巨大的应用潜力。
拓扑绝缘体的发现引发了许多新的研究方向和领域。
一方面,科学家们希望进一步理解和揭示拓扑绝缘体的本质和特性。
另一方面,他们也在探索拓扑绝缘体的应用。
拓扑绝缘体的拓扑保护性质可用于实现高效的能量转换和传输,因此在能源领域具有重要意义。
此外,拓扑绝缘体还可以用于构建量子比特和实现量子计算,为量子信息领域带来了新的可能性。
虽然拓扑绝缘体在理论和实验上取得了一些重要进展,但仍然存在许多挑战和问题。
例如,如何制备高质量的拓扑绝缘体材料,以及如何有效地控制和调控其拓扑性质等。
这些问题需要在材料制备、表征和器件设计等方面进行深入的研究和探索。
拓扑绝缘体作为一类具有特殊电子结构和拓扑保护性质的材料,具有重要的科学意义和应用价值。
Bi2Se3
s e 3 、 B i 2 T e 3 和s b 2 T e 3 的结构 , 计 算它们 的声子谱及 热力学性 质 .基 于广义梯度 交换相 关泛 函及 S O C效应 , 计 算得 到 三
种物质的声子频率 比不考虑 S O C时更吻合 实验数 据 .最后 计算 出三种物质 的赫 尔姆 赫兹 自由能 F , 内能 E, 等体 热容 c 和熵 S随温度 的变化趋 势 . 关键词 : 第一性原理 ; 声子谱 ; 热力学性质 ; 自旋 一轨道耦合
2 . S c h o o l o f E l e c t i r c a l a n d I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g , S o u t h w e s t U n i v e r s i t y or f N a t i o n l a i t i e s , C h e n g d u 6 1 0 0 4 1 , P R . C . )
J u 1 . 2 01 5
V0 I _ 41 No . 4
第4 1卷 第4期
d o i : 1 0. 1 1 9 2 0 / x n md z k . 2 01 5 . 0 4. 0S b 2 T e 3 的 声子 和
A b s t r a c t : T h e s t r u c t u r e s o f B i 2 S e 3 , B i 2 T e 3 a n d S b 2 T e 3 w e r e o p t i m i z e d u s i n g d e n s i t y — f u n c t i o n a l t h e o r y ( D F T) b a s e d o n f i r s t — wi n - c i p l e s w i t h a n d w i t h o u t s p i n - o r b i t c o u p l i n g ( S O C ) e f f e c t . P h o n o n s p e c t um r s a n d t h e r mo d y n a mi c p r o p e r t i e s o f B i 2 S e 3 , B i 2 T e 3 nd a
博士生论文探索拓扑绝缘体的电子性质
博士生论文探索拓扑绝缘体的电子性质拓扑绝缘体是当今凝聚态物理领域备受关注的研究课题之一。
作为一种新型的量子材料,拓扑绝缘体具有特殊的电子性质,展现出一系列令人惊奇的量子效应。
本文将探讨博士生论文的主题——拓扑绝缘体的电子性质,并从不同角度对其进行深入分析。
一、拓扑绝缘体的基本概念拓扑绝缘体是一种拥有非平凡拓扑特性的绝缘体材料。
与传统绝缘体不同,在拓扑绝缘体中,电子在体内流动的方式与传统绝缘体存在差异。
这种差异导致了一些特殊的电子性质,例如边界态和量子霍尔效应。
二、拓扑绝缘体的主要特征1. 量子霍尔效应:拓扑绝缘体在外加磁场下,能够产生沿边界传输电流的表面态。
这一现象称为量子霍尔效应,是拓扑绝缘体的典型特征之一。
2. 边界态:拓扑绝缘体的边界上可以存在特殊的电子态,称为边界态。
边界态具有零能隙和自旋极化等特点,对于电子输运和量子计算等应用具有重要意义。
三、拓扑绝缘体的研究进展近年来,拓扑绝缘体的研究取得了许多重要的进展。
研究人员通过材料设计和合成成功地获得了一系列拓扑绝缘体,并揭示了其独特的电子性质。
例如,在拓扑绝缘体中发现了关于磁场和电流之间的量子相应关系。
四、实验方法与技术研究拓扑绝缘体的电子性质通常需要使用一系列先进的实验方法和技术。
例如,磁化率测量和随机阻尼测量可用于研究拓扑绝缘体的拓扑性质。
此外,扫描隧道显微镜和光电子能谱仪是研究拓扑绝缘体边界态的重要实验手段。
五、拓扑绝缘体的应用前景拓扑绝缘体的独特电子性质使其在量子计算、量子通信和能源转换等领域具有广阔的应用前景。
例如,边界态可以用来实现无损电子传输和拓扑量子比特,为量子计算提供了新的突破口。
六、结论通过对拓扑绝缘体电子性质的探索,我们可以更深入地理解量子材料的特殊性质,并为未来的技术应用提供新的思路和方法。
随着实验技术的不断发展和理论研究的深入,相信拓扑绝缘体领域将迎来更多令人兴奋的突破和发现。
在这篇文章中,我们对博士生论文的主题进行了探究,具体分析了拓扑绝缘体的电子性质。
bi2se3晶体结构
bi2se3晶体结构1. 引言bi2se3是一种重要的拓扑绝缘体材料,具有特殊的电子结构和独特的晶体结构。
本文将对bi2se3晶体结构进行全面、详细、完整且深入地探讨。
2. bi2se3晶体结构概述bi2se3晶体结构属于层状结构,由Bi和Se原子交替排列而成。
每个Bi原子被六个Se原子所包围,而每个Se原子则被三个Bi原子所包围。
这种层状结构使得bi2se3具有特殊的电子性质,表现出拓扑绝缘体的特征。
3. bi2se3晶体结构的空间群和晶胞参数bi2se3晶体结构的空间群为R-3m,属于三方晶系。
其晶胞参数如下:• a = b = 4.138 Å• c = 28.644 Å•α = β = 90°,γ = 120°4. bi2se3晶体结构的层状结构bi2se3晶体结构的层状结构由Bi-Se-Bi-Se-Bi-Se…序列构成。
每个Bi原子处于一个六边形的Se环境中,而每个Se原子则被三个Bi原子所包围。
这种层状结构的形成是由于Bi和Se原子之间的强烈相互作用。
5. bi2se3晶体结构的晶格常数和晶胞bi2se3晶体结构的晶格常数和晶胞参数决定了其晶体结构的特征。
晶格常数a和b 相等,而c较大,使得晶胞呈现出六边形的形状。
晶胞内部的Bi和Se原子的排列方式决定了bi2se3晶体结构的层状结构。
6. bi2se3晶体结构的电子性质bi2se3作为一种拓扑绝缘体材料,具有特殊的电子性质。
其层状结构导致了Bi和Se原子之间的强烈相互作用,形成了能带结构中的能隙。
这个能隙使得bi2se3在低温下表现出绝缘体的特性,而在高温下则呈现出导电性。
7. bi2se3晶体结构的应用由于bi2se3的特殊电子性质,它在电子学领域有着广泛的应用前景。
例如,bi2se3可以用于制造拓扑绝缘体器件,用于实现低功耗电子器件和量子计算等领域的突破。
8. 结论综上所述,bi2se3晶体结构具有独特的层状结构和特殊的电子性质。
硒化铋镀膜材料
硒化铋镀膜材料硒化铋镀膜材料是一种应用广泛的功能性薄膜材料,具有独特的光学、电学和热学性能。
本文将从硒化铋的基本性质、制备方法、应用领域等方面进行介绍,以便更好地了解和应用这一材料。
一、硒化铋的基本性质硒化铋是一种由硒和铋元素组成的化合物,化学式为Bi2Se3。
它具有层状结构,每一层由Bi-Se键连接。
硒化铋是一种半导体材料,具有较小的能隙,约为0.3-0.4 eV,属于N型半导体。
硒化铋的晶体结构具有蜂窝状的六角形,层与层之间的键长较长,层内的键长较短,这种结构使得硒化铋具有特殊的电子输运性质。
二、硒化铋镀膜的制备方法硒化铋镀膜是将硒化铋材料以薄膜的形式沉积在基底上的过程。
常用的制备方法包括物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两种。
物理气相沉积是将硒化铋材料加热至蒸发温度,使其蒸发形成蒸汽,然后在基底表面沉积,形成薄膜。
物理气相沉积方法操作简单,制备过程中无需添加其他化学物质,可以得到较高质量的硒化铋薄膜。
化学气相沉积是通过在一定的反应条件下,使含有硒化铋前体的气体分解并在基底表面沉积,形成硒化铋薄膜。
化学气相沉积方法具有制备大面积薄膜的优势,可以控制薄膜的厚度和组分,适用于工业化生产。
三、硒化铋镀膜的应用领域硒化铋具有特殊的电子输运性质,因此在电子器件领域有着广泛的应用。
其中,最突出的应用是在热电材料和拓扑绝缘体领域。
热电材料是一类能够将热能转化为电能或将电能转化为热能的材料。
硒化铋作为一种N型半导体材料,具有较高的热电性能,可以用于制备高效的热电材料。
研究表明,将硒化铋薄膜与其他材料复合,可以进一步提高其热电性能,提高热电转换效率。
因此,硒化铋镀膜在热电材料的研究和应用中具有重要的意义。
拓扑绝缘体是一类特殊的材料,具有在材料内部存在的特殊表面态,这些表面态具有特殊的电子输运性质。
硒化铋是一种典型的拓扑绝缘体材料,具有较高的反常霍尔电阻和量子振荡效应。
研究人员通过在硒化铋薄膜上引入磁场等外界条件,可以进一步调控其电子输运性质,探索其在量子计算和量子信息存储等领域的应用。
材料科学中的新发现——拓扑绝缘体的研究
材料科学中的新发现——拓扑绝缘体的研究拓扑绝缘体是近年来材料科学领域中的一大研究热点,它具有不同于普通绝缘体的电学性质,拓扑绝缘体中的电子在表面只能沿特定方向移动,而内部则是绝缘的,这意味着现在可以开发出更加高效的电子器件。
拓扑绝缘体的研究是材料科学中的新发现之一,下面将从理论和实验两方面进行论述。
一、理论方面在物理学中,拓扑理论是研究几何空间形状变化的一个相对独立的分支。
拓扑绝缘体的理论基础也是建立在拓扑理论之上的。
拓扑绝缘体的研究最早始于1986年,Bernevig、Hughes以及Zhang等人提出了拓扑绝缘体的理论。
他们在理论模拟中发现,一类金属材料中的电子在外界作用下会呈现出特殊的性质,称为量子反常霍尔效应。
这种现象被认为是由量子霍尔效应引起的,在量子霍尔效应中,电子在内部被禁止,反应到表面上则成为边界电流。
而量子反常霍尔效应则是一个更广泛的现象,由于其拓扑特征不同于传统的绝缘体,在一定程度上让电流绕过了材料中的缺陷和不均匀性。
这种现象类似于电路中的“空气短路”,可以让电子沿特定方向移动,非常适合作为电子器件的基本材料。
二、实验方面近年来,随着材料科学实验技术的不断创新和发展,人们终于在实验中成功合成了拓扑绝缘体材料,并对其性质进行了深入研究。
其中,最早成功合成的材料是拓扑绝缘体的经典材料——汞锗合金,这种材料的表面构成了特殊的电子轨道,能形成拓扑保护的能带,即便在杂质影响下,也能保证电子在表面的流动方向。
但由于热稳定性较差,在电子器件中的应用受到了较大的限制。
为了解决汞锗合金的缺点,在实验中还制备了许多其他的拓扑绝缘体材料,如钨磷酸盐族化合物、拓扑陈绝缘体等。
这些材料不仅具有优良的电学性质,而且能适应更为广泛的物理环境。
科学家们甚至利用拓扑绝缘体的性质,开发出了一种新型的电子器件——拓扑场效应晶体管,该器件在消耗更少的电能的同时,实现了极高的速度和精度。
三、前景展望拓扑绝缘体是材料科学中的一大新发现,在电子器件、量子计算、机器人技术等领域都有广泛的应用前景。
拓扑绝缘体-薛其坤学术报告
薛其坤清华大学物理系拓扑绝缘体:一种新的量子材料MBE Growth and STM/ARPES StudyOUTLINE 1.拓扑绝缘体简介Info highway for chips in the futureConductor Insulator材料的分类: 能带理论(固体物理的能带论)g=1g=2g=3g=0Valence BandConduction BandValence BandConduction BandSpin upSpin downK2“band twisting”Strong spin ‐orbitcouplingConductorInsulatorTopological InsulatorInsulating (bulk)conducting (surface)Spin-Orbital Coupling材料的分类(新): 拓扑能带理论g=1g=2g=3g=0E∝KpcE =Massless Dirac FermionsEffective speed of light v F ~ c /300.k xk yE gParadoxwithout mass ,,•psudo ‐spin•Klein Paradox •Linear n~E ,Linear σ~E ,Linear m~E •Localization ?•Universal σ?Spin=1/2+−狭义相对论预期了“自旋轨道耦合”Helical Spin StructureFermionsFour seasons in a dayOne night in a yearkEMomentum SpaceInfoin the future Spintronics?前沿科学研究量子反常霍尔效应/自旋霍尔效应磁单极Majorana 费米子分数量子统计(Anyon)拓扑磁性绝缘体Axion 研究……Dark matter on your desktop?Wilczek, Nature 458, 129 (2009)物质≠反物质(CP 不对称)暗物质(轴子)标准模型磁单极(磁荷)±e iθ(anyon)电荷+磁荷=任意子(anyon)Majorana费米子量子计算:满足非阿贝尔统计的拓扑准粒子进行位置交换操作拓扑绝缘体Zhang et al., Nat. Phys. 5, 438 (2009)Strong 3D Topological InsulatorsXia et al., Nat. Phys. 5, 398 (2009)Sb 2Te 3Bi 2Te 3Bi 2Se 3Bi 2Se 3Δ=0.36eVBi2Te3Fisher (Stanford)DiracConeNat. Phys. 2009Bulk Insulating Material difficult Thin Films by MBE and MOCVD?Si, GaAs, Sapphire…OUTLINE2.拓扑绝缘体薄膜的分子束外延生长(MBE)及电子结构(BiTe3/Bi2Se3/Sb2Te3)2扫描隧道显微镜:由瑞士科学家Binnig和Rohrer博士于1981年发明人类首次:9“看到”单个原子、分子9“操纵”单个原子、分子1986年诺贝尔物理学奖FetipsampleAGaAs4Se4MBESTMcryostat20ML Pb Thin Films•STM/STS: 4K •ARPES: 1meV •RHEED •5x10‐11TorrMBE ‐STM ‐角分辨光电子能谱SystemSTMMBEARPESPhoton energy: 21.2eV(HeI) Energy resolution: 10 meV Angular resolution: 0.2°T=77 KExperimental parametersSi waferReal ‐Time Electron Diffraction强度振荡T Bi >>T Si >T Se(Te)Se (Te )‐rich(Se 2/Bi>20)反射式高能电子衍射EE F0.00.10.2Bi Te “intrinsic”Conduction BandValence BandE F23 200 nm x 200 nmBi2Se3on graphene on SiC‐120mV 50 QLOUTLINE3.扫描隧道显微镜(STM) 研究拓扑绝缘体的基本性质TI Vaccum Normal insulatorBoundaryBand CuttingTopological insulatorp c H mc p c H GG G G •=+•=σβα2(m=0)•Massless 2D Dirac Equation•Boundary /Surface •Time Reversal SymmetryMoore, Nature 2010ConductorInsulatorTopological InsulatorInsulating (bulk)conducting (surface)Spin-Orbital Coupling材料的分类(新): 拓扑能带理论n-doped Geometry of Ag defectsV=400mV V=150mV V=100mV V=50mVV=200mVV=300mV Surface nature of topological states!电子受到Ag 杂质散射导致的表面驻波FFTV=400mVV=150mVV=100mVV=50mVV=200mVV=300mVdI/dV mappingsMKSBZГ400 mV100 mV 50 mV150 mV 300 mV 200 mVMKK ‐spaceOnly Γ‐ΜdirectionΓ入射电子反射电子Zhang et al., PRL 103, 266803 (2009)Info highway for chips in the future。
拓扑绝缘体
Bi-2Se-3拓扑绝缘体的研究现状分析摘要:由于全球碲矿的储量十分有限,并且正在逐渐减少,面临资源枯竭的危险,热电领域的科学家们正致力于探索发现一些新型的热电化合物取代目前研究应用较多的Te化合物。
Bi-2Se-3及其合金与Bi-2Te-3合金相比具有更宽的温度使用范围,并且其最佳性能值向高温方向偏移,通常出现在550K附近,同时硒矿储量相对于碲矿要丰富很多。
因此,近年来Bi-2Se-3基合金的研究逐渐成为热点。
一·拓扑绝缘体拓扑绝缘体是最近几年发现的一种全新的物质形态,现在已经引起了巨大的研究热潮。
拓扑绝缘体是一种特殊的量子体系,它的体电子结构存在能隙,没有载流子运动,表现出绝缘体行为,但是在体系的边缘具有受拓扑保护的无能隙边缘态,导致载流子得以在样品的边缘传导。
这一点和量子霍尔体系很相似。
不同的是,后者的产生需要外加磁场,破坏了时间反演对称性;而拓扑绝缘体中的表面结构的存在是靠本身的自旋轨道耦合效应,而且受到时间反演对称性的保护,所以它是一种拓扑表面态。
这类拓扑绝缘体材料有着独特的优点:首先,这类材料是纯的化学组,非常稳定且容易合成;第二,这类材料表面态中只有一个狄拉克点的存在,是简单的强拓扑绝缘体,这种简单性为理论模型的研究提供了很好的平台;第三,也是非常吸引人的一点,该材料的体能隙是非常大的,特别是Bi-2Se-3,d大约是0.3电子伏(等价于3600K)。
远远超出室温能量尺度,这也意味着有可能实现室温低能耗的自旋电子器件。
二·Bi-2Se-3的晶体结构及制备方法1·晶体结构硒化铋(Bi-2Se-3)是由第五主族和第六主族元素构成的。
Bi-2Se-3晶体可视为六面体层状结构,在同一层上具有相同的原子种类,而原子层间呈-Se(1)-Bi-Se(2)-Bi-Se(1)-的原子排布方式。
其中Bi-Se(1)之间以共价键和离子键相结合,Bi-Se(2)之间为共价键,而Se(1)-Se(1)之间则以范德华力相结合,因此,Bi-2Se-3晶体很容易在Se(1)原子面间发生解理2·制备方法目前,提高Bi-2Se-3热电优值的方法主要有:通过纳米化进一步改善Bi-2Se-3基合金的输运性能,一方面降低了声子传导的平均自由程,可以大幅降低热导率,另一方面加强了载流子的散射可以提高Seebeck系数;通过元素掺杂改变Bi-2Se-3基合金的能带结构,进一步调控载流子浓度,提高其热电性能。
拓扑绝缘体二维纳米结构与器件
doi:10.3866/PKU.WHXB 201208312[Review]物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao )Acta Phys.-Chim.Sin.2012,28(10),2423-2435October Received:July 27,2012;Revised:August 31,2012;Published on Web:August 31,2012.∗Corresponding authors.PENG Hai-Lin,Email:hlpeng@.LIU Zhong-Fan,Email:zfliu@.The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (51121091,21173004,11104003)and National Basic Research Program of China (2011CB921904).国家自然科学基金(51121091,21173004,11104003)和国家重大科学研究计划(2011CB921904)资助项目ⒸEditorial office of Acta Physico-Chimica Sinica拓扑绝缘体二维纳米结构与器件李辉1,2彭海琳1,*刘忠范1,*(1北京大学化学与分子工程学院,北京大学纳米化学研究中心,北京100871;2中国科学院电工研究所,中国科学院太阳能热利用及光伏系统重点实验室,北京100190)摘要:拓扑绝缘体是一种全新的量子功能材料,具有绝缘性体能带结构和受时间反演对称性保护的自旋分辨的金属表面态,属于Dirac 粒子系统,将在新原理纳电子器件、自旋器件、量子计算、表面催化和清洁能源等方面有广泛的应用前景.理论和实验相继证实Sb 2Te 3,Bi 2Se 3和Bi 2Te 3单晶具有较大的体能隙和单一Dirac 锥表面态,已经迅速成为了拓扑绝缘体研究中的热点材料.然而,利用传统的高温烧结法所制成的拓扑绝缘体单晶块体样品常存在大量本征缺陷并被严重掺杂,拓扑表面态的新奇性质很容易被体载流子掩盖.拓扑绝缘体二维纳米结构具有超高比表面积和能带结构的可调控性,能显著降低体态载流子的比例和凸显拓扑表面态,并易于制备高结晶质量的单晶样品,各种低维异质结构以及平面器件.近年来,我们一直致力于发展拓扑绝缘体二维纳米结构的控制生长方法和物性研究.我们发展了拓扑绝缘体二维纳米结构的范德华外延方法,实现了高质量大比表面积的拓扑绝缘体二维纳米结构的可控制备,并实现了定点与定向的表面生长.开展拓扑绝缘体二维纳米结构的谱学研究,利用角分辨光电子能谱直接观察到拓扑绝缘体狄拉克锥形的表面电子能带结构,发现了拉曼强度与位移随层数的依赖关系.设计并构建拓扑绝缘体纳米结构器件,系统研究其新奇物性,观测到拓扑绝缘体Bi 2Se 3表面态的Aharonov-Bohm (AB)量子干涉效应等新奇量子现象,通过栅电压实现了拓扑绝缘体纳米薄片化学势的调控,并将拓扑绝缘体纳米结构应用于柔性透明导电薄膜.本文首先简单介绍拓扑绝缘体的发展现状,然后系统介绍我们开展的拓扑绝缘体二维纳米结构的范德华外延生长、谱学、电学输运特性以及透明柔性导电薄膜应用的研究,最后对该领域所面临的机遇和挑战进行简要的展望.关键词:拓扑绝缘体;狄拉克费米子;纳米结构;范德华外延;柔性透明导电薄膜中图分类号:O641Two-Dimensional Nanostructures of Topological Insulators andTheir DevicesLI Hui 1,2PENG Hai-Lin 1,*LIU Zhong-Fan 1,*(1Centre for Nanochemistry (CNC),College of Chemistry and Molecular Engineering,Peking University,Beijing 100871,P .R.China ;2Key Laboratory of Solar Thermal Energy and Photovoltaic System of Chinese Academy of Sciences,Institute of Electrical Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,P .R.China )Abstract:Three-dimensional (3D)topological insulators are a new state of quantum matter that are insulating in the bulk but have current-carrying massless Dirac surface states.Nanostructured topological insulators,such as quasi-two-dimensional (2D)nanoribbons,nanoplates,and ultrathin films with extremely large surface-to-volume ratios,distinct edge/surface effects,and unique physicochemical properties,can have a large impact on fundamental research as well as in applications such as electronics,spintronics,photonics,and the energy sciences.Few-layer topological insulator nanostructures have very large2423Acta Phys.⁃Chim.Sin.2012V ol.28surface-to-volume ratios that can significantly enhance the contribution of exotic surface states,and their unique quasi-2D geometry also facilitates their integration into functional devices for manipulation and manufacturing.Here,we present our recent results on the controlled growth of quasi-2D nanostructures of topological insulators,as well as their novel functional devices.High quality quasi-2D nanostructures ofBi2Se3and Bi2Te3topological insulators have been synthesized by vapor-phase growth.Ultra-thin nanoplates of the topological insulators with uniform thickness down to a single layer have been grown on various substrates,including conductive graphene.A facile,high-yield method has been developed for growing single-crystal nanoplate arrays of Bi2Se3and Bi2Te3with well-aligned orientations,controlled thickness,and specific placement on mica substrates by van der Waals epitaxy.A systematic spectroscopic study,including angle-resolved photoemission spectroscopy(ARPES),micro-Raman spectroscopy,and micro-infrared spectroscopy,was carried out to investigate the quasi-2D nanostructuresof topological insulators.Pronounced Aharonov-Bohm(AB)interference effects were observed in the topological insulator nanoribbons,providing direct transport evidence of the robust,conducting surface states.Transport measurements of a single nanoplate device,with a high-k dielectric top gate,showed a significant decrease in the carrier concentration and a large tuning of the chemical potential with electrical gating.We also present the first experimental demonstration of near-infrared transparent flexible electrodes based on few-layer topological insulator Bi2Se3nanostructures that was epitaxially grown on amica substrate by van der Waals epitaxy.Topological insulator nanostructures show promise as transparent flexible electrodes because of their good near-infrared transparency and excellent conductivity,which is robust against surface contamination and bending.Our studies suggest that quasi-2D nanostructures of topological insulators show promise for future electronic and optoelectronic applications.Key Words:Topological insulator;Dirac fermion;Nanostructure;van der Waals epitaxy;Transparent flexible electrode1引言拓扑绝缘体是一类正在凝聚态物理、固体化学与材料领域掀起科学风暴的“明星”材料.1-3作为一种全新的量子物质,拓扑绝缘体不同于传统意义上的绝缘体和金属,其体材料是有能隙的绝缘体,而其表面是无能隙的金属态.4-10因内禀的自旋轨道相互作用,拓扑绝缘体的金属性表面态与因表面未饱和键或者是表面重构导致的表面态不同,具有线性色散关系且自旋与动量满足特定的手性关系.拓扑表面态形成一种无有效质量的二维电子气,受到很严格的拓扑保护,不会因为外来的扰动而失去金属性,具有独特的自旋和输运性质,载流子可在表面无散射、无能量损耗地传导.在基础物理研究上,拓扑绝缘体可以用来探索和发现新奇的量子效应,如量子化的反常霍尔效应、马拉约那(Majorana)费米子等.4,5此外,拓扑绝缘体可以用来发展未来新型量子功能材料,将在新原理纳电子器件、自旋电子器件、自容错的拓扑量子计算、表面催化及清洁能源等方面有着巨大的应用前景.1-5因此,在短短几年内,拓扑绝缘体的研究正在世界范围内蓬勃兴起.量子自旋霍尔相和狄拉克费米子这两个奇异的量子相在拓扑绝缘体中是高度耦合的.4-6通过对具有自旋-轨道耦合作用的样品施加纵向电场,会产生横向自旋流,即自旋向上和向下的电子分别沿横向相反的方向运动,从而在横向边界产生自旋积累,这种自旋也会产生量子霍尔效应,这就是量子自旋霍尔效应.6,10,11拓扑绝缘体内禀的自旋轨道相互作用起到了类似外场的作用,导致自旋流在表面无散射的传导(图1A和1B).2006年,斯坦福大学的Zhang等6首先提出在二维拓扑绝缘体HgTe/CdTe 量子阱体系可以实现量子自旋霍尔效应的理论预言.2007年,量子自旋霍尔效应在HgTe/CdTe量子阱器件上得到实验证实,10这一科研成果被Science 杂志评为2007年十大科学进展之一.随后,研究人员用电压探针证明自旋电流可在HgTe/CdTe量子阱样品的边界出现,而且无需外界施加的磁场.12继二维拓扑绝缘体之后,Kane,7Moore8和Zhang9等小组分别独立地理论预言了兼具绝缘体态和金属表面态的三维拓扑绝缘体的存在.其中Kane等13预测了Bi1-x Sb x合金是三维拓扑绝缘体.2008-2009年,普林斯顿大学的Hasan小组14,15率先从实验上证实了Bi1-x Sb x合金具有三维拓扑绝缘体的性质.他们利用角分辨光电子能谱研究了Bi1-x Sb x合金的体能带和表面能带结构,发现Bi1-x Sb x合金具有复杂的表面态2424李辉等:拓扑绝缘体二维纳米结构与器件No.10结构,表面具有奇数个狄拉克点.寻找体能隙大、表面态结构简单、组成为化学计量比、存在非常稳定、且容易合成的晶态拓扑绝缘体材料成为了物理学家、材料学家及化学家关注的焦点.2009年,Zhang 等16理论预言了三方相的V 2VI 3化合物(Sb 2Te 3,Bi 2Se 3,Bi 2Te 3)是三维拓扑绝缘体,其表面布里渊区k=0的Γ点具有单一的无能隙的狄拉克锥.这些理论预测被同时进行的实验所证实.普林斯顿大学的Hasan 小组17和斯坦福大学的Shen 小组18分别利用角分辨光电子能谱在Bi 2Se 3和Bi 2Te 3单晶中观察到了单个狄拉克锥型表面态的存在.此外,该类材料的体态存在能隙,比如Bi 2Se 3的体能隙约为0.3eV (等价于3600K),远远超出室温能量尺度,这说明有可能实现室温低能耗的自旋电子器件.尽管不断有理论预言新的拓扑绝缘体的存在,比如half-Heusler 和chalcopyrite 三元化合物等家族中被预测存在着大量拓扑绝缘体材料,19-23V 2VI 3晶体材料(Sb 2Te 3,Bi 2Se 3,Bi 2Te 3)仍然是目前的研究热点.然而,相对于常规绝缘体而言,拓扑绝缘体V 2VI 3的体能隙并不大,目前体能隙最大的拓扑绝缘体Bi 2Se 3也才0.3eV .事实上,通常利用高温烧结方法制备的单晶块体样品具有很大的本征缺陷密度并被严重掺杂,样品的费米能级往往位于体相的导带或者价带中,很难实现其体态的本征绝缘.由于单晶块体样品中的体相原子远多于其表面态原子,样品的电学特性将完全由大量的体态载流子所支配,这将制约深入研究拓扑绝缘体这种新的量子态及其器件物理.24拓扑绝缘体表面态本征物性的研究备受关注,是决定拓扑绝缘体未来的研究和应用潜力的关键问题之一.科学工作者正通过外场调控和化学掺杂等方法来调控拓扑绝缘体的费米能级位置,使费米能级只与表面态相交,以降低体态载流子的影响,凸显表面态相关的新奇物理现象.对于常用的拓扑绝缘体单晶块体样品,因样品的厚度远远大于电场的穿透深度,难以利用外场来调控单晶块体样品的费米能级.人们主要采取掺杂与化学改性对单晶块体样品的费米能级进行调控,比如在Bi 2Te 3中掺入Sn 和在Bi 2Se 3中掺入Ca 、Sb 、Mg 、Pb 等元素可以实现费米能级的调控.18,25-31虽然单晶块体样品的掺杂可改变其能带结构,但往往同时也降低了晶体的质量和载流子的迁移率,32导致掺杂的块体材料的电学测量结果并不乐观.比如,Ong 等33对体态绝缘的拓扑绝缘体Ca x Bi 2-x Se 3单晶进行了低温电磁测量,在毫米级大小的单晶样品中的电磁测量中发现一种反常的电磁涨落,其振幅远远大于普适电导涨落.分析结果表明这种涨落现象仍然来源于体相杂质载流子,而不是拓扑表面态.考虑到Ran 等34最近的理论计算预言——拓扑绝缘体晶体中存在的线位错将形成一维拓扑态,Ong 等33推测他们测得的这种电磁涨落可能与体材料的晶格位错等缺陷有关.由以上的分析可知,高质量材料的可控制备依然是拓扑绝缘体研究领域亟待解决的关键科学问题.发展新颖的材料制备方法制备高质量的拓扑绝缘体材料尤为重要.相比块体单晶材料,拓扑绝缘体的纳米材料尤其是二维纳米结构(如纳米带、纳米薄片、薄膜等)更具优势:24(1)纳米材料具有大的比表面积,其比表面积随样品尺寸的变小而显著增大;(2)少量的掺杂或化学改性可能显著调控拓扑绝缘体纳米材料的电学性质;(3)高质量的拓扑绝缘体低维纳米材料具有明确的晶体结构和组分,是构筑复杂纳米结构与纳米器件的理想基元,借助现代表征和测量技术,可以方便地研究器件中存在的材料和界面问题;(4)拓扑绝缘体材料的载流子浓度可利用纳米薄片或薄膜场效应管的场效应来调控,并可以制备成低维异质结构以及各种平面器件,有助图1(A,B)三维拓扑绝缘体的绝缘性体态和金属表面态的示意图;(C)三维拓扑绝缘体层状Bi 2X 3(X=Se,Te)的晶体结构图Fig.1(A,B)Schematic explanation for the reason why the surface of the insulating bulk exhibits metallic state due to polarized spins in three-dimensional topological insulator;(C)layered crystal structure of three-dimensional topological insulator Bi 2X 3(X=Se,Te)2425Acta Phys.⁃Chim.Sin.2012V ol.28于器件加工和集成.迄今为止,人们已经发展了“自上而下”(Top-Down)和“自下而上”(Bottom-Up)两大类方法来制备拓扑绝缘体二维纳米材料.3,35“自上而下”是从单晶块体样品中通过机械剥离或者化学剥离的方法获得单层或少层二维纳米材料,包括:显微机械剥离方法、36,37化学插层方法、38,39通过原子力显微镜(AFM)针尖进行剥离的方法40等.“自下而上”是通过化学反应从原子或者分子尺度上合成单层或少层二维纳米材料,包括分子束外延(MBE)、41-45化学气相沉积(CVD)、24,46,58物理气相沉积(PVD)、47-49湿化学合成50,51等.2009年开始,清华大学薛其坤教授的研究团队首次建立了在不同单晶基底上高质量拓扑绝缘体薄膜的MBE生长动力学,52实现了体相绝缘的拓扑绝缘体Bi2Se3薄膜的外延生长,并利用STM观察到MBE薄膜表面电子在原子台阶和杂质附近散射形成的驻波以及表面金属态的朗道量子化现象.53北京大学的彭海琳与斯坦福大学Cui等人合作,通过气-液-固(VLS)生长机制,利用简单易得的CVD装置制备了高质量的拓扑绝缘体纳米带,发现构筑具有大的比表面积的纳米结构可以有效降低体态载流子的贡献,并通过电学输运测量,首次观测到与拓扑绝缘体Bi2Se3表面电子态相关的Aharonov-Bohm(AB)量子干涉效应,证实了拓扑绝缘体中能产生AB效应的表面态电子波的存在.24这一工作给拓扑绝缘体在电学测量实验上的研究带来了新的转机,推动了拓扑绝缘体的实验进展.54随后,科研工作者迅速展开了拓扑绝缘体Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3纳米结构的制备和电学输运研究.2010年,Jarillo-Herrero等55通过微机械剥离的方法得到了厚度为17nm的砷掺杂的Bi2Se3纳米薄片,构建了场效应晶体管,通过在晶体管上构造高k值的顶栅,实现了对Bi2Se3准二维纳米材料表面电子态的外场调控,并观察到了类似石墨烯的双极化效应.2011年,Wang等31通过液相反应合成了Bi2Te3纳米带,通过场效应晶体管的顶栅实现了Bi2Te3纳米带费米能级的调控.通过顶栅电压把费米能级调节到了体态的带隙中,进而在Bi2Te3纳米带中直接观测到了表面电子态的AB干涉和SdH振荡.2011年,Cui等56在(Bi x Sb1-x)2Te3本征拓扑绝缘体二维纳米薄片中,发现了与石墨烯场效应晶体管类似的双极化场效应现象.围绕拓扑绝缘体二维纳米结构的可控生长方法与器件研究,根据Bi2Se3和Bi2Te3的层状各向异性晶体结构特点,我们提出和发展了拓扑绝缘体二维纳米结构的范德华外延(van der Waals epitaxy)生长方法,35,47,48,57通过对生长基底种类、基底温度、载气流量、粉源温度、压强等生长条件进行设计和优化,在不同基底(石墨烯、云母)上外延生长了高质量的少层拓扑绝缘体二维纳米结构,35,48,57实现层数、尺寸、定点与定向的控制,47并对少层拓扑绝缘体纳米结构进行系统的谱学与电学测量,24,35,48,49还对其在柔性透明导电薄膜上的应用进行了初步探索.57本文将对我们在拓扑绝缘体二维纳米结构的生长与器件等方面的成果进行归纳和总结,并对拓扑绝缘体未来的研究方向、实际应用前景进行展望.2拓扑绝缘体二维纳米材料的范德华外延层状的Bi2X3(X=Se,Te)是典型的三维拓扑绝缘体,其晶体结构属于D53d(R3m)为斜方晶系,沿着c 轴方向可视为层状六面体结构(图1C),59每层包括X-Bi-X-Bi-X(X=Se,Te)五个原子层(quintuple layer, QL),每QL的层厚约1nm.层内为强的共价键合,而层间为相对较弱的范德华相互作用.每层的上下表面为饱和键合的Se或Te,而层的边侧存在大量悬挂键.作为一种独特的气相沉积技术,范德华外延利用外延层和基底之间范德华力或静电力弱相互作用,生长高质量层状材料的外延技术(图2A).60,61范德华外延无需外延层与基底成键,外延层的应变能快速和有效的驰豫可有效减少外延层和基底晶格失配的影响,尤其适用于与基底晶格失配度大的层状结构的生长.许多二维层状晶体材料具有各向异性结构,层内是很强的共价结合,而层间为较弱的范德华相互作用;表面不含悬挂键,呈化学惰性,而边侧存在大量化学活性的悬挂键.62-65因此,这种各向异性成键特性决定了层内的生长速度远大于层间生长速度,理论上可以通过范德华外延的方法逐层生长高质量、层数可控的二维晶体材料.范德华外延基底的表面物理化学性质对二维外延层的生长有重要影响.我们在非晶态SiO2基底上的生长结果表明,49基底上表面悬挂键的存在制约着大面积超薄的拓扑绝缘体二维纳米材料的生长.在SiO2基底上只能得到3层以上、取向不一致的Bi2X3(X=Se,Te)二维纳米薄片,横向尺寸最大约为20µm.表面化学惰性的层状单晶基底有助于制备2426李辉等:拓扑绝缘体二维纳米结构与器件No.10取向一致、大面积、高结晶质量、厚度达单层的拓扑绝缘体二维纳米材料.我们发现表面原子级平整、化学惰性的层状石墨烯和云母是理想的范德华外延基底,47,48,57可实现厚度可控、尺寸可控的高结晶质量的少层至单层拓扑绝缘体二维纳米结构和大面积薄膜的范德华外延,并首次实现了拓扑绝缘体二维纳米结构均匀阵列的定向与定点生长.47如图2B所示,在导电基底石墨烯上生长的三角形或六边形Bi 2Se 3纳米薄片定向排列.由于石墨烯表面的褶皱或缺陷等影响,少数纳米薄片的取向有一定的角度偏移.纳米薄片具有高的结晶质量,厚度均一、可达单层,可覆盖石墨烯整个畴区.在绝缘的云母基底上,范德华外延法制备的三角形或六边形Bi 2Se 3二维纳米薄片的取向完全一致(图2C),厚度均一,横向尺寸在几个到几十微米之间.通过精确控制生长条件,降低Bi 2X 3在基底上的成核密度和体系蒸气分压,可进一步增加纳米薄片的侧向尺寸.目前,单一厚度的Bi 2Te 3二维纳米单晶薄片的最大尺寸可达0.1mm (图2(E,F)),远大于用机械剥离、液相剥离及化学合成等方法制备的样品尺寸.进一步控制生长条件,可以在云母基底上外延得到Bi 2X 3的二维纳米薄膜.图2D 为约10nm 厚的Bi 2Se 3纳米薄膜的典型光学照片,表明整个纳米薄膜的厚度较为均一,而其表面上有取向一致的三角形或者六方形纳米岛状结构.拓扑绝缘体二维纳米阵列单晶的定向与定点控制生长有助于生长机理的探索和纳米器件的批量构建.在新鲜剥离、平整的云母表面上,拓扑绝缘体Bi 2X 3的成核具有随机性;而通过人为控制云母基底上的成核位点,将促使Bi 2X 3纳米结构的定点生长.因此,我们巧妙地利用“掩模版”和“等离子体刻蚀”选择性处理云母基底,控制成核位点,实现了拓扑绝缘体Bi 2X 3单晶纳米结构的定点控制生长.47我们首先设计各种形状的光刻模板,通过标准光刻方法,把光刻模板上的图形复制到事先在云母表面旋涂的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)掩膜上,或者把铜网直接覆盖在云母表面,用氧等离子体对暴露的云母基底刻蚀,除去PMMA 或铜网掩膜版,进行Bi 2X 3二维纳米材料的生长.氧等离子体刻蚀后的云母表面形貌和化学组成发生一定的变化,66破坏了范德华外延生长的条件,而没有被刻蚀处理的云母表面区域仍然可以进行范德华外延生长,从而实现定点生长.图3A 和3B 分别显示了5×7和3×3Bi 2Se 3纳米薄片阵列定点生长的光学照片.图3C 和3D 显示了云母基底上Bi 2Te 3纳米薄片大面积阵列的光学照片和相应的AFM 高度成像.在绝缘透明的云母基底上大面积、高质量的拓扑绝缘体二维纳米结构生长的实现将为光谱测量、器件加工与电学测量提供很好的材料基础,而定点定向与层数的精确控制生长的实现将为速度更快、能耗更低的拓扑绝缘体纳电子图2(A)范德华外延示意图;(B)石墨烯上范德华外延生长的Bi 2Se 3纳米薄片的SEM 照片;(C)云母基底上范德华外延生长的Bi 2Se 3纳米薄片阵列的透过模式光学照片;(D)云母基底上外延生长的Bi 2Se 3纳米薄膜的透过模式光学照片,圆圈中的白色部分为云母基底;(E,F)云母基底上外延生长得到的厚度为6QL 、大尺寸单晶Bi 2Te 3纳米薄片的透过模式光学照片和AFM 像Fig.2(A)Scheme diagram of van der Waals epitaxy;(B)SEM image of Bi 2Se 3epitaxy on grapheme;(C)typical transmission-mode optical microscopy image of nanoplate arrays of Bi 2Se 3on transparent mica substrates;(D)typical transmission-mode optical microscopy image of large-area,few-layer Bi 2Se 3nanosheets grown on a mica substrate,the blank mica substrate is indicated by the black circle;(E,F)optical image and the corresponding AFM image of large-size Bi 2Te 3nanoplate single crystal with 6QL inthickness grown on micaSEM:scanning electron microscopy,OM:optical microscopy,AFM:atomic force microscopy,QL:quintuple layer.Reproduced from Refs.47,48,57.Copyright ©2012Nature Publishing Group,2010and 2012American Chemical Society.2427Acta Phys.⁃Chim.Sin.2012V ol.28器件的批量构建提供契机.3拓扑绝缘体二维纳米材料的谱学研究3.1角分辨光电子能谱拓扑绝缘体表面态的检测是研究拓扑绝缘体的新奇物性和制备拓扑绝缘体电子学器件的前提.角分辨光电子能谱(ARPES)是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.目前,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一.67拓扑绝缘体Bi 2Se 3、Bi 2Te 3和Sb 2Te 3的狄拉克锥形的表面电子结构已经相继被ARPES 直接观察到.我们与斯坦福大学的沈志勋教授小组、牛津大学的陈宇林博士合作,利用基于同步辐射光源的ARPES,研究了在管式炉CVD 系统中制备的Bi 2Se 3、Bi 2Te 3等二维纳米薄片的电子能带结构.47,57ARPES 结果表明,在室温大气下放置相当一段时间后,厚度约为10nm 的Bi 2Se 3和Bi 2Te 3二维纳米薄片仍然具有拓扑绝缘体的狄拉克表面电子能带结构的鲜明特征(图4(A,B)),这说明拓扑表面态具有很好稳定性.二维纳米薄片的费米能级与体态导带能级相交,表现为明显的电子掺杂.在体态导带区域,分布着与表面态共存的额外的量子阱态,可能是生长时存在缺陷或者暴露空气掺杂引起的.我们分析约10nm 厚的Bi 2Se 3二维纳米薄片的ARPES 数据,发现表面态与体态的载流子数目已基本一致.这一结果表明,由于纳米薄片具有大的比表面积,其体态载流子对样品整体导电性的贡献减少,而表面态载流子的贡献增大;随着厚度的减小,表面态的贡献将占主导作用.3.2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.其中,振动光谱法作为微细结构变化的灵敏探针,是揭示新型低维量子材图4(A)ARPES 测量的云母基底上Bi 2Se 3纳米薄片在Κ-Γ-Κ方向的能带结构图,Bi 2Se 3能带结构由导带(CB)和价带(VB)之间直接带隙的体态和具有Dirac 锥结构的表面电子态(SS)组成;(B)在特定结合能下,以k x 和k y 为函数的能带结构等能量图Fig.4(A)Electronic band dispersion along the Κ-Γ-Κdirection of large-scale Bi 2Se 3nanoplate aggregates grown on a mica substrate measured by ARPES.A direct band gap between the conduction band (CB)and valence band (VB)and Dirac-cone-typed surface state (SS)were identified;(B)constant-energy contour images of the band structure as functions of k x and k y at certainbinding energiesReproduced from Ref.47,Copyright ©2012AmericanChemicalSociety.图3(A)云母基底上定点生长的5×7圆形Bi 2Se 3纳米薄片阵列光学照片;(B)云母基底上定点生长的3×3三角形Bi 2Se 3纳米薄片阵列光学照片;(C)云母基底上定点生长的11×14Bi 2Te 3纳米薄片阵列的光学照片;(D)图C 虚线方形框中2×2Bi 2Te 3纳米薄片相应的AFM 像及其高度像Fig.3Optical microscopy images of (A)the 5×7round and (B)3×3triangular Bi 2Se 3nanoplate arrays on mica;(C)optical microscopy image of 11×14Bi 2Te 3nanoplate array on mica;(D)corresponding AFM image and high profile of the 2×2Bi 2Te 3nanoplate array shown in thedashed black box of (C)Reproduced from Ref.47,Copyright ©2012AmericanChemical Society.2428。
bi2se3晶体结构
bi2se3晶体结构【原创版】目录1.Bi2Se3 晶体结构的概述2.Bi2Se3 晶体结构的特点3.Bi2Se3 晶体结构的应用正文1.Bi2Se3 晶体结构的概述Bi2Se3(二铋硒化合物)是一种具有独特晶体结构的材料,其化学式为 Bi2Se3,表示两个铋原子(Bi)与三个硒原子(Se)组成的分子。
这种化合物具有很多有趣的物理和化学性质,这些性质主要源于其特殊的晶体结构。
2.Bi2Se3 晶体结构的特点Bi2Se3 晶体结构属于层状结构,其特点是在二维平面上,铋原子与硒原子呈六角形密排,层与层之间通过范德华力相互堆垛。
这种结构具有一些独特的性质,例如:(1)在室温下,Bi2Se3 晶体结构是半导体,但在低温下,它可以表现出拓扑绝缘体的特性。
这意味着在它的表面,电子不能自由流动,但在其内部,电子可以自由流动。
(2)Bi2Se3 晶体结构具有较大的光学吸收系数,这使得它在光吸收和光催化等领域具有潜在应用。
(3)由于其特殊的晶体结构,Bi2Se3 具有较大的电导率,这使得它在电子器件领域具有潜在应用。
3.Bi2Se3 晶体结构的应用由于 Bi2Se3 晶体结构具有上述独特的物理和化学性质,它已经在多个领域展现出潜在的应用前景,包括:(1)光电子器件:由于其半导体特性,Bi2Se3 可以应用于光电子器件,如光开关、光调制器、光探测器等。
(2)光催化:Bi2Se3 晶体结构的大光学吸收系数使其在光催化领域具有潜在应用,例如光解水制氢、光降解有机污染物等。
(3)拓扑绝缘体:Bi2Se3 在低温下表现出拓扑绝缘体的特性,这使得它在未来量子计算、拓扑电子学等领域具有潜在应用。
总之,Bi2Se3 晶体结构作为一种具有独特物理和化学性质的材料,已经在多个领域展现出潜在的应用前景。
拓扑绝缘体材料
拓扑绝缘体材料拓扑绝缘体材料是一类新兴的材料,它们在电子能带结构和导电性质上具有独特的特点。
与传统绝缘体相比,拓扑绝缘体材料在体内存在着非平庸的拓扑性质,这使得它们在电子输运和量子计算等方面具有巨大的应用潜力。
拓扑绝缘体材料的特殊之处在于其体内存在着边界态。
在拓扑绝缘体的边界上,电子的运动方式受到拓扑保护,即使存在一定的杂质或缺陷,也不会导致电子的散射和能量损失。
这种拓扑保护的边界态被认为是实现低能量电子器件的理想通道。
因此,拓扑绝缘体材料被广泛研究,并在量子计算、能源转换、自旋电子学等领域展示出巨大的应用潜力。
拓扑绝缘体材料的研究始于拓扑绝缘体的发现。
2005年,Kane和Mele首次提出了一种二维拓扑绝缘体模型,即所谓的量子自旋霍尔效应。
随后,三维拓扑绝缘体的概念被提出,并在实验中得到了确认。
这些发现为拓扑绝缘体材料的研究奠定了基础。
已经发现了许多拓扑绝缘体材料。
其中,最具代表性的是拓扑绝缘体材料Bi2Se3和Bi2Te3。
这些材料具有层状结构,其中每一层由原子间的共价键连接。
这种结构使得电子在垂直于层方向上形成分立的能带,从而产生了拓扑边界态。
此外,拓扑绝缘体材料还包括一些过渡金属化合物和有机-无机杂化材料等。
拓扑绝缘体材料具有许多优异的性质。
首先,它们是绝缘体,即在体内几乎没有自由电子存在,因此具有很高的电阻率。
其次,拓扑绝缘体材料的导电性质主要来自于边界态,这些态只分布在材料的边界上,而不会传播到体内。
这使得拓扑绝缘体材料在电子器件中具有较低的能耗和较高的稳定性。
此外,拓扑绝缘体材料还具有自旋极化和量子霍尔效应等特殊的电子性质,这使得它们在自旋电子学和量子计算等领域具有巨大的应用潜力。
尽管拓扑绝缘体材料具有许多优越性能,但目前仍存在一些挑战。
首先,拓扑绝缘体材料的制备和控制仍然具有一定的难度。
其次,拓扑绝缘体材料的稳定性和可扩展性也需要进一步研究。
此外,拓扑绝缘体材料的应用还面临着制备工艺、界面性质和器件设计等方面的挑战。
拓扑绝缘体:新型量子材料
拓扑绝缘体:新型量子材料随着科学技术的不断进步,特别是在量子物理和材料科学的交叉领域,拓扑绝缘体作为一种新型量子材料,逐渐引起了广泛的关注。
拓扑绝缘体具有独特的电子结构和物理性质,它们在保留绝缘性质的同时,表面却能够导电,这一特性使得它们在量子计算、自旋电子学等领域展现出了巨大的应用潜力。
拓扑绝缘体的基本概念拓扑绝缘体是指在某些特殊条件下形成的一类材料,这些材料在其体相表现为绝缘体,而在其表面或边界状态下则允许电流的无耗散传导。
这种现象源于其电子态的拓扑性质,这些性质与形状、边界等几何特征相关联,而不是与材料的微观细节有关。
拓扑绝缘体的出现使得我们对物质形态有了更深层次的理解,同时也推动了现代固态物理的发展。
拓扑相变拓扑绝缘体的性质源自于其独特的拓扑相变,这是由材料中的电子相互作用、晶格对称性以及外部条件(如磁场和压力)等因素引起的。
在满足一定条件时,材料会经历从常规绝缘体到拓扑绝缘体的转变,这种转变通常伴随着电子态的重组和新表面态的出现。
通过调节这些参数,我们能够实现不同拓扑相之间的转换,从而建立起对量子相变的研究模型。
量子霍尔效应拓扑绝缘体与量子霍尔效应密切相关,后者指的是二次电子在低温和强磁场条件下形成的特殊状态。
拓扑绝缘体可以看作是一种高维度的量子霍尔态,其电子结构不仅依赖于外部条件,还受限于材料自身的拓扑特征。
这一现象揭示了电子动力学中存在着多样化、层次丰富的量子态,为我们提供了重要的实验平台,以探索新的物理现象。
拓扑绝缘体的分类根据其能带结构及其物理性质,拓扑绝缘体可分为几类。
最常见的是三维拓扑绝缘体、二维拓扑绝缘体和一维边界态。
三维拓扑绝缘体三维拓扑绝缘体是指在三维空间中呈现出表面导电行为的材料。
例如,Bi2Se3和Bi2Te3等化合物就被归类为三维拓扑绝缘体。
这些材料在表面存在一种称为“Dirac表面态”的特殊电导态,这些状态附近只有少数壳层中的电子参与导电,因此表现出了非常高的电导率和低温下无耗散特性。
硒化铋禁带宽度
硒化铋禁带宽度摘要:1.硒化铋禁带宽度的概述2.硒化铋禁带宽度的影响因素3.硒化铋禁带宽度的研究意义4.我国在硒化铋禁带宽度研究方面的进展正文:硒化铋禁带宽度的概述硒化铋(Bi2Se3)是一种具有拓扑绝缘体特性的半导体材料,其禁带宽度直接影响到材料的电导率、光电性能等。
禁带宽度是指在能带结构中,价带(VB)和导带(CB)之间的能量间隔。
对于硒化铋而言,研究禁带宽度的大小和变化规律具有重要意义。
硒化铋禁带宽度的影响因素硒化铋禁带宽度受多种因素影响,主要包括以下几点:1.晶体结构:硒化铋的晶体结构对其禁带宽度有显著影响。
在室温下,硒化铋主要以α-Bi2Se3 和β-Bi2Se3 两种晶型存在。
其中,α-Bi2Se3 具有较大的禁带宽度,而β-Bi2Se3 禁带宽度较小。
2.化学成分:硒化铋中铋和硒的比例对禁带宽度产生影响。
当硒含量较高时,禁带宽度会变窄。
3.温度:随着温度的升高,硒化铋的禁带宽度会发生变化。
在低温下,禁带宽度较小;随着温度的升高,禁带宽度逐渐增大。
4.应变:外加应变也会影响硒化铋的禁带宽度。
当材料受到拉伸应变时,禁带宽度会增大;而受到压缩应变时,禁带宽度会减小。
硒化铋禁带宽度的研究意义研究硒化铋禁带宽度有助于深入了解其物理性质和应用潜力。
在实际应用中,硒化铋可作为一种新型半导体材料,应用于光电子器件、热电转换器件等领域。
了解禁带宽度与材料性能之间的关系,可以为优化器件性能提供理论指导。
我国在硒化铋禁带宽度研究方面的进展我国在硒化铋禁带宽度研究方面取得了一系列成果。
科研人员通过实验和理论计算,系统研究了硒化铋禁带宽度随温度、应变和化学成分的变化规律,为制备高性能硒化铋基器件提供了重要参考。
拓扑绝缘体与拓扑半金属(方忠)-[]
铁磁
拓扑“0” 拓扑“1”
1. 简介:拓扑绝缘体简介
拓扑绝缘体:一种全新的拓扑有序态:受时间反演性保护
要考虑 相对论+量子力学
一般绝缘体
拓扑绝缘体
金属
能带结构
体态
体态
表面态
体态
费米能级
理论模型:
1. C. L. Kane,PRL (2005) 2. S. C. Zhang,PRL (2006)
材料实现:
Boundary
Defined by the Z2 number (or parity for inversion system) Ref:
[1] Kane & Mele, PRL (2005). [2] Fu, Kane, Mele, PRL (2007) [3] Fu, Kane, PRB (2007).
中国工程物理研究院材料科学技术发展会议
拓扑绝缘体与拓扑半金属
方忠 中科院物理研究所
1
目录
一、简介 二、拓扑绝缘体材料:Bi2Se3,Bi2Te3 三、拓扑半金属:HgCr2Se4
2
1. 简介:拓扑有序态
有序态是凝聚态物理研究的基本内涵之一
例如:磁有序态、电荷有序态、超导态等
局域有序态:
对称性破缺导致有序态 (朗道对称性破缺理论)
Vaccum
TI
Normal
insulator
Cutting Band Ring
1. 简介: Different Surface states
--
-+
++
+-
Topological Insulators:
1. Insulating bulk 2. Conducting surface
拓扑绝缘体材料的制备与性质研究
拓扑绝缘体材料的制备与性质研究拓扑绝缘体(Topological Insulator)作为一种新兴的材料,具有特殊的电子结构和丰富的物理性质,引起了广泛的研究兴趣。
本文将介绍拓扑绝缘体材料的制备方法以及其独特的性质。
一、拓扑绝缘体的制备方法1.外延生长法外延生长法是制备拓扑绝缘体的一种常用方法。
一般采用分子束外延(MBE)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)等技术,通过在晶体衬底上沉积原子层薄膜,使得晶体结构具有特殊的拓扑性质。
2.化学合成法化学合成法是另一种常见的拓扑绝缘体制备方法。
通过合成特定化学组成和结构的化合物,如硒化铋(Bi2Se3)、硒化锡(SnSe2)等,可以得到拓扑绝缘体材料。
3.离子液体法离子液体法是一种新兴的制备拓扑绝缘体的方法。
通过在离子液体中溶解特定的化合物或金属离子,并通过电化学反应或热解反应,可以制备出具有拓扑绝缘体性质的材料。
二、拓扑绝缘体的性质研究1.拓扑保护的表面态拓扑绝缘体具有在体态能带中存在的拓扑保护的表面态。
这些表面态能够在晶体中存在杂质或缺陷的情况下保持不变,具有非常高的稳定性。
2.强狄拉克费米子拓扑绝缘体表面的电子结构呈现狄拉克锥状能带,其中的狄拉克费米子质量接近零,速度非常高。
这种特殊的电子结构使得拓扑绝缘体具有优异的电子传输性质。
3.自旋-轨道耦合效应拓扑绝缘体中的自旋-轨道耦合效应是其特殊性质之一。
自旋-轨道耦合可以在表面态和体态之间实现耦合,使得拓扑绝缘体具有自旋流输送的特性。
4.量子霍尔效应由于其特殊的电子结构,拓扑绝缘体表面的载流子在外加磁场作用下可以呈现量子霍尔效应,即洛伦兹力将电流限制在材料的边界上,形成电流的分立通道。
三、应用前景与展望拓扑绝缘体材料的研究与应用具有广泛的前景。
其在信息存储、量子计算和低功耗电子器件等领域具有重要的应用潜力。
例如,拓扑绝缘体的表面态可以用于实现更稳定的量子比特,从而提高量子计算的可靠性和稳定性。
此外,还可以利用拓扑绝缘体中特殊的自旋-轨道耦合效应,实现自旋操控和自旋电子学器件的制备。
拓扑绝缘体与拓扑超导体的研究与应用展望
拓扑绝缘体与拓扑超导体的研究与应用展望拓扑绝缘体和拓扑超导体是当今凝聚态物理领域中备受瞩目的研究方向之一。
它们不仅具有丰富的物理性质,而且潜藏着许多激动人心的应用潜能。
本文将从研究进展和应用前景两方面探讨拓扑绝缘体和拓扑超导体的相关内容。
一、拓扑绝缘体的研究与应用展望1.1 研究进展拓扑绝缘体是一种特殊的凝聚态物质,其带隙中存在不可约的拓扑边界态。
这些边界态在无外界干扰的情况下呈现出无衰减的反常输运性质,具有高度的稳定性。
近年来,科学家们通过理论计算和实验验证相继发现了多种拓扑绝缘体材料,如拓扑绝缘体 HgTe、Bi2Se3 等。
这些材料在量子计算、自旋电子学、量子纳米器件等领域具有巨大的潜力。
此外,拓扑绝缘体还具有光电转换、能量存储和洁净能源等方面的应用前景。
1.2 应用展望拓扑绝缘体的研究使得新型器件的设计成为可能。
例如,利用拓扑绝缘体的边界态和自旋-轨道耦合效应,科学家们提出了拓扑绝缘体晶体管(Topological Insulator Field Effect Transistor,简称TIFET)的概念。
TIFET 的设计结构和传统晶体管有较大区别,能够实现无耗能低频处理,极大地降低了功耗。
拓扑绝缘体还可应用于高速电子器件。
由于拓扑绝缘体带隙中存在着无衰减的边界态,可以用于构建无能耗的电子器件,提高电子器件的工作效率和可靠性。
另外,拓扑绝缘体还广泛应用于量子计算领域。
由于量子比特的特殊性质,拓扑绝缘体边界态可以实现无失真地传输信息。
科学家们通过利用拓扑绝缘体材料的这一特性,为实现量子计算的可扩展性和稳定性提供了新思路。
二、拓扑超导体的研究与应用展望2.1 研究进展拓扑超导体是指在零温度下,在超导相中存在拓扑不变量的材料。
拓扑超导体具有非阿贝尔任意子特性和零能Majorana费米子特性等独特的物理性质。
最早的拓扑超导体模型是由Kitaev在2001年提出的。
自此后,科学家们陆续发现了多种拓扑超导体材料,如铌锑石和铜氧化物等。
拓扑绝缘体研究
拓扑绝缘体研究拓扑绝缘体是一种引人瞩目的新兴物质,在凝聚态物理领域引起了广泛关注。
它们在电子输运中表现出非常特殊的性质,具有很高的电导率,但只沿着材料表面导电,对于体内的材料来说是绝缘体。
这种特殊的输运现象源于拓扑性质的存在,拓扑绝缘体是一种具有特殊的能带结构和边界态的材料。
拓扑绝缘体的研究始于二十世纪八十年代末的量子霍尔效应的发现。
当时,物理学家发现在二维半导体表面施加一定的磁场时,电子在材料内部形成电荷局域态,而在边界处出现了导电的能带。
这种现象被称为边缘输运,其电导率远高于材料内部的体态。
对于二维的材料,这种边缘态的存在可以用拓扑不变量来描述,因此得名拓扑绝缘体。
拓扑绝缘体的研究并不仅局限于二维材料,有许多三维材料也具有类似的特性。
最著名的三维拓扑绝缘体是拓扑绝缘体Bi2Se3,它在三维空间中具有拓扑不变量,拥有自旋锁定的表面态。
这些表面态是非常稳定的,对于外界的扰动几乎没有影响,因此有很大的应用潜力。
在光电子学和量子计算领域,拓扑绝缘体被认为是一种非常重要的材料。
拓扑绝缘体的研究还涉及到了拓扑相变的研究。
拓扑相变是指在外界参数改变的情况下,材料的拓扑性质发生改变。
这种相变是一种新颖的现象,只有在量子力学框架下才能够解释。
对于拓扑绝缘体而言,拓扑相变发生在外界磁场或压力改变的情况下。
这种相变不同于传统的相变,它与能带的拓扑性质直接相关,因此也被称为拓扑相变。
拓扑绝缘体的研究不仅仅局限于实验,理论研究也起到了重要的作用。
通过理论模拟和计算,物理学家们可以预测材料的拓扑性质,并指导实验的设计和观测。
通过模拟计算,可以找到新的拓扑性质,并预测新材料的拓扑特性。
同时,理论研究也可以解释实验现象,帮助我们更加深入地理解拓扑绝缘体的本质。
目前,拓扑绝缘体的研究还处于起步阶段,仍然面临许多挑战。
其中一个挑战是寻找新的拓扑绝缘体材料。
虽然已经发现了一些拓扑绝缘体材料,但它们的应用仍然受到制备的困难和稳定性的限制。
衬底温度对Bi2Se3拓扑绝缘体薄膜生长影响的研究
衬底温度对Bi2Se3拓扑绝缘体薄膜生长影响的研究王军;王安健;杜洪洋;徐伟;宋玲玲;仇怀利;李中军【期刊名称】《合肥工业大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2017(040)011【摘要】文章利用分子束外延方法在蓝宝石衬底上制备Bi2Se3拓扑绝缘体薄膜,研究衬底温度对薄膜生长质量的影响.首先对370、380、390、400℃衬底温度下生长的Bi2 Se3薄膜样品,利用反射高能电子衍射仪(re-flection high-energy electron diffraction,RHEED)、原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)进行表面形貌的表征;利用X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)和X射线能谱仪(energy dispersive X-ray spectrosco-py,EDS)对样品的晶相和化学组分进行分析筛样.结果表明,衬底温度为390℃时制备的Bi2 Se3薄膜表面平整、成分接近理想配比、结晶质量较好.最后利用综合物性测量系统测量了最佳衬底温度制备的样品的电学性质,表明样品为n型拓扑绝缘体薄膜.【总页数】4页(P1581-1584)【作者】王军;王安健;杜洪洋;徐伟;宋玲玲;仇怀利;李中军【作者单位】合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥 230009;合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥 230009;合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥 230009;合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥230009;合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥 230009;合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥 230009;合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥 230009【正文语种】中文【中图分类】O484.1【相关文献】1.掺Mn拓扑绝缘体Bi2Se3薄膜的制备及其电磁特性研究 [J], 杜洪洋;徐伟;宋玲玲;仇怀利;李中军;黄荣俊2.少层Bi2Se3拓扑绝缘体薄膜电子结构和光学性质理论研究 [J], 李中军;王安健;赵伟;王健越;陈实;李国祥;仇怀利3.Te元素掺杂Bi2Se3拓扑绝缘体纳米线的反弱局域效应 [J], 田锋;俞国林;周远明;张小强;魏来明;梅菲;徐进霞;蒋妍;吴麟章;康亭亭4.单层Bi2Se3拓扑绝缘体薄膜电子结构与\r光学性质的理论研究 [J], 陈实;李国祥;宋玲玲;仇怀利;李中军5.拓扑绝缘体Bi2Se3光电性能研究 [J], 周勇; 仇怀利; 王朝东; 徐伟; 陈实; 李中军因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
可应用于室温太赫兹波段的二维Bi2Te3材料光电探测器研究
(1) In order to realize a high response rate and high response rate photodetector, we fabricated a photodetector based on a two-dimensional topological insulator Bi2Te3 material using a micro-nano process. The material was transferred to a high-resistance silicon substrate by mechanical stripping, and a Cr/Au electrode was fabricated by ultraviolet photolithography and electron beam evaporation. When incident light is incident on the device, an electrical signal is generated due to the photoconductive effect and the photo thermographic effect. Under the photoconductive condition, the visible-near-infrared photodetector device with good performance achieves a response rate and response time of 269 A/W and 52 μs in the visible band, and the noise equivalent power (NEP) is lower than 9.27 × 10-14 W/Hz1/2, the detectivity is higher than 1.27×1010 cm•Hz1/2/W. The response rate and response time in the infrared range are 440 mA/W
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
毕业论文题目:Bi2Se3拓扑绝缘体材料的电子结构研究院(系):年级:专业:物理学班级:学号:姓名:指导教师:完成日期:摘要采用基于第一性原理的赝势平面波方法系统地计算了Bi2Se3基态的电子结构、态密度和能带结构以及理论模型,为Bi2Se3的设计与应用提供了理论依据.计算结果表明Bi2Se3属于间接带隙半导体, 禁带宽度为0.3 eV,其能带图中有18条价带,6条导带; 其价带主要由Se的6p以及Bi的6p态电子构成,导带主要由Mg的6p以及Si的6p态电子构成;其能带图中有18条价带,6条导带.关键词Bi2Se3 第一性原理电子结构理论模型态密度能带结构一、引言按照导电性质的不同,材料可分为“金属”和“绝缘体”两大类;而更进一步,根据电子态的拓扑性质的不同“绝缘体”和“金属”还可以进行更细致的划分。
拓扑绝缘体就是根据这样的新标准而划分的区别于普通绝缘体的一类新型绝缘体材料。
它的体内与普通绝缘体一样,是绝缘的,但是在它的边界或表面总是存在导电的边缘态,这也是它有别于普通绝缘体的最独特的性质.这样的导电边缘态是稳定存在的,且不同自旋的导电电子的运动方向是相反的,传统上固体材料可以按照其导电性质分为绝缘体和导体,其中绝缘体材料在它的费米能处存在着有限大小的能隙,因而没有自由载流子;金属材料在费米能级处存在着有限的电子态密度,进而拥有自由载流子,信息的传递可以通过电子的自旋,而不像传统导电材料通过电荷,这样不涉及能量耗散过程,从而克服了传统材料的发热问题。
拓扑绝缘体作为一种新的量子物质态,完全不同于传统意义上的金属和绝缘体,其体电子结构为有带隙的绝缘体,但表面或边界却为无带隙的金属态.近年来,拓扑绝缘体因其独特的物理性质及良好的应用前景在凝聚态物理和材料科学领域引起了广泛的研究.到目前为止,用于制作纳米材料的方法有很多种,如快速凝固技术[1]、分离法[2]、球磨法[3]、表面活性合成法[4]和热还原法[5],等等. 与这些方法相比,水热合成法有很多优势,它具有较低的成本和较高的效率,而且不需要高纯度的原材料[6],热压的样品在623K和80MPa具有高密度,高导电率和模式。
目前,为实现量子计算机和自旋电子器件的应用人们正努力研发基于各种单晶衬底与其他狄拉克量子体系材料,如石墨烯或与超导薄膜耦合的多层结构的量子器件目前正蓬勃发展,利用分子束外延法MBE制备超薄单晶Bi2Se3材料为理论和实验研究提供了有利的支持,Chen等通过ARPES在Fe和Mn掺杂的Bi2Se3晶体中都观察到了表面态的能隙并进一步证实磁性杂质掺杂导致铁磁有序结构[7].三维拓扑绝缘体Bi2Se3是一种优良的热电材料,具有较高的热电优值系数[8],在温室制冷方面,Bi2Se3被认为是最好的材料[9],是目前为止发现的带隙最大的拓扑绝缘体,其带隙E g约为0.3eV. Bi2Se3 材料具有各向异性相互作用的拓扑相变,通过施加不同的应变来改变Bi2Se3 类物质中的相互作用,发现QL内的横向相互作用对它们的拓扑相影响很小,而QL间的纵向相互作用能够有效的调制它们的拓扑相,施加纵向拉应变可以增大Bi2Se3 的QL间间距,减弱自旋轨道耦合强度,使Bi2Se3由拓扑绝缘体转变为普通的绝缘体[10].在制备Bi2Se3单晶块时,做一些掺杂,又可以达到不一样的效果,Analytis 等在掺杂大量Sb的Bi2Se3中得到载流子浓度低至1016cm-3的单晶,Sb和Bi在周期表中位于同一主族,取代Bi时不会产生多余的电子,可能会抑制Se空位的产生[11]。
湘潭大学杨红基于密度泛函理论的第一性原理计算(考虑自旋轨道耦合),发现吸附在Bi2Se3薄膜上的铅层引起了量子阱态的Rashba自旋劈裂,因铅层的厚度变化产生量子尺寸效应使得铅层与Bi2Se3薄膜之间的距离,界面处的电荷密度和铅层内部的链长都会发生振荡[12].本文采用密度泛函(DFT)的赝势平面波方法对六面体准层状结构Bi2Se3的几何结构、能带、态密度和分波态密度能态进行了分析。
1理论模型和计算方法1.1理论模型图1 Bi2Se3 2 晶体结构基于密度泛函理论的第一性原理(运用量子力学原理,从具体要求出发,经过一些近似处理后直接求解薛定谔方程的算法,习惯上称为第一性原理), 采用广义梯度近似( GG A ) 下的线性缀加平面波( castep )的方法,对Bi2Se3原胞进行优化计算. Bi2Se3晶体结构属于D53d(R3m)六方晶系,沿着c轴方向,Bi2Se3晶体可视为六面体层状化合物,每一层原子面上只具有相同的原子种类,每2个Bi单原子层和3个Se单原子层按照-Se(2)-Bi-Se(1)-的排布方式组成一个包含5个原子层的周期结构称为5原子层,在c轴方向高度约为2.87nm,Se(1)-Bi之间以共价键和离子键相结合,而Bi-Se(2)之间为共价键, Se(1)-Se(1)(QL-QL)之间则已范德华力相结合,Bi2Se3类似石墨烯的层状结构,是以五个原子结构单元沿着六角晶胞三重对称轴方向堆积而成,是一种二元层状化合物。
1.2计算方法文中所有的计算由CASTEP(Cambridge serial total energy package)软件包[13]完成. CASTEP软件是一个基于密度泛函方法的从头算量子力学程序. 利用总能量平面波赝势方法, 将离子势用赝势替代,电子波函数通过平面波基组展开, 电子-电子相互作用的交换和相关势由局域密度近似(LDA)或广义梯度近似(GGA)进行校正,它是目前较为准确的电子结构计算的理论方法密度泛函理论中,单电子运动的薛定谔方程可以表示为(原子单位))()()()(z 2''q 2r r r V dr r r r R r i i i XC q q φεφρ=+-+--∇-⎰∑,2i i i r n r )()(φρ∑=其中Zq 为核电荷,)(r i φ 为单电子波函数,i n 为本征态的电子占据数,ρ(r)为多电子密度. (1)式中第一项代表体系中有效电子动能;第二项代表原子核对电子的吸引能,其具体形式采用规范保持赝势(norm-conserving pseudopotentials)表达;第三项是电子之间的库仑能;第四项是交换和相关能, 其具体形式可由局域密度近似和广义梯度近似等表示.在模拟过程中,采用周期性边界条件,单电子轨道波函数满足布洛赫(Bloch)定理,采用平面波基组展开为)()()()(r ik exp g c r ik ex p r g k i k i ⋅⋅=∑φ其中 g 为原胞的倒格矢, k 为第一布里渊区的波矢,)(g c k i 是单电子轨道波函数的傅里叶级数. 计算用的晶格常数为实验值, 计算采用了赝势平面波方法. 2 计算结果与讨论计算中,取Bi 2Se 3材料晶格常数的实验值: a=11.83nm, b=4.09nm, c= 11.62nm 且 α =β =γ = 90°,本文计算了Bi 2Se 3的总态密度, Se 原子和Bi 原子的分波态密度 ( Se 和Bi 原子的s 态和p 态以及这些态叠加的总能量 )和能带结构.2.1 晶胞模型优化为得到体系近对原胞体积和总能量进行优化计算,通过优化这些不同原胞体积下体系的总能量,根据能量最优原理,得出了Bi 2Se 3的晶格常数a 、b 和c ,如下表1所示. 从表中可看出,几何优化后得到的理论晶胞参数与实验值非常接近, 误差在0.56%~3.92%.表1 Bi 2Se 3 正交结构优化后的晶格常数物理参量实验值 优化值 误差 a/nm11.830 12.293758 3.92%b/nm4. 090 4.067165 0.56% c/nm 11.620 11.451076 1.45%2. 2 态密度 -6-5-4-3-2-101234567510152025Energy/evDensity of States(electrons/ev)图2 Bi 2Se 3总电子态密度-6-5-4-3-2-1012345670246810Density of States(electrons/eV)Energy/eV虚线P 实线S图3 Bi原子的电子态密度Density of States(electrons/eV)20虚线P实线S15105-6-5-4-3-2-101234567Energy/eV图4 Se原子电子态密度图2-4中竖直虚线标注为费米能级,置于能量零点,其中图2为Bi2Se3电子总态密度,图3和图4分别为Bi原子和Se原子的各亚层电子的能态密度. 对于总态密度,单位是electrons/(cell·eV),对于各亚层电子的能态密度,单位是electrons/(atom·eV). 从图2可以看出,在−5 ~ −1eV的能量范围,Bi2Se3的态密度主要由Bi原子的6p态电子和Se原子的4p态电子构成,Bi原子的6s态电子和Se原子的4s态电子也有贡献,但是贡献的较小;费米能级为电子能量为零处,在−1 ~ 0.5eV的能量范围,能量态密度在费米能级周边急剧下降,原因主要是Se 原子4p态电子态密度急剧下降,在E=0.5eV处降为零,此能量段,Bi原子的6s 态电子对总态密度具有较大作用,其作用先大后小,但总体具有较明显影响,Bi原子的6p态电子、Se原子的4p态电子也有较明显的影响,Se原子的4s态电子对总电子态密度影响很小;在0.5 ~ 0.8eV的能量范围内,Bi2Se3的电子总态密度为零,此时出现约为0.3eV的带隙,与湘潭大学刘文亮的计算理论值吻合的较好[14];在0.8 ~ 2.5eV的能量范围,Bi2Se3总电子态密度急剧上升,Bi原子的6p 态电子的态密度出现了单调递增的情形,且对Bi2Se3总电子态密度影响最大,Bi原子的6p态电子在1 ~ 2.5eV的能量范围内电子态密度也缓缓上升,对总态密度影响较小,接着Bi原子的6s态和6p态电子的电子态密度逐渐减小;Se原子的4s态电子和4p态电子在1 ~ 2eV的能量范围内都单调上升,在2 ~ 2.5eV的能量范围内,Se原子的4s态电子的态密度减小,但是4p态电子态密度依然上升;在2.5 ~ 4eV 的能量范围内,Bi 2Se 3电子总态密度及各原子分态密度都在下降,直至降为0。
2. 3 能带结构-6-4-224G T Y Z S X U REnergy/ev图5 能带结构与电子态密度利用GGA 近似处理交换关联泛函,超软赝势处理离子实与价电子之间的相互作用,平面波基组描述体系电子的波函数,通过计算得到了Bi 2Se 3沿布里渊区高对称点方向的能带结构. 图5为Bi 2Se 3晶体的能带结构,其中虚线代表费米能级,竖直实线代表布里渊区高对称点,波浪线即为能级. 图中在-14.2 ~ 0eV 的能量范围称为价带,在0.3 ~ 3.5eV 为导带. 从图中可以看出,Bi 2Se 3能带在价带的Y 点取得最大值0eV ,而在导带的T 点取得最小值0.3eV ,因此Bi 2Se 3具有G-R 带隙为0.2994eV 的间接带隙. 从图5还可以看出,整个价带带宽为14.0577eV , 其中费米能级以下有三个主要的子能带,一个区域是−4.6228eV 到价带顶,主要由Bi 的6p 态电子和Se 的6p 态电子构成;另一个区域是−10.0577eV ~ −7.0759,主要由Si 的s 态电子构成. 费米面附近, Bi 2Se 3的能态密度曲线主要由Bi 的6p 和Si 的6p 态电子的能态密度确定 因此, Bi 2Se 3的电传输性质及载流子类型主要由比Bi 的6p 态电子和Se 的6p 态电子决定.3 结 论本文使用基于第一性原理的密度泛函理论(DFT)赝势平面波方法,优化Bi2Se3 正交结构的晶格常数后,对Bi2Se3的理论模型、能带结构、态密度进行了理论计算,Bi2Se3具有类似石墨烯的层状结构,其导带主要是由Bi原子的p态电子构成,价带主要由Bi原子的p态电子和Se原子的p态电子构成,Bi2Se3的导带宽为2.2ev价带宽为4.8eV,带隙为0.3eV. 计算结果和其它理论研究吻合得较好,说明采用密度泛函理论的广义梯度近似来计算和预测Bi2Se3材料的电子结构和光学性质是比较可靠的.参考文献1.T.S. Kim , I. S. Kim , T. K. Kim , S. J .Hong , B. S. Chun.[J] .Mater. Sci. Eng. B-Solid State Mater. Adv. Technol., 2002, 90, 42~46.2.K. Yanagimoto, K.Majima, S.Sunada , T. Sawada . [ J ] . J .Alloy. Compd. , 2004 , 377 , 174~1783.J . Y. Yang , T. Aizawa , A. Yamamoto , T. Ohta . [ J ] . J .Alloy. Compd. , 2000 , 312 , 326~330 .4.A. Purkayastha , Q . Y. Y an , M. S. Raghuveer , et al . [ J ] .Adv. Mater . , 2008 , 20 , 2679 .5.W. Wang , X. L . Lu , T. Zhang , et al . [ J ] . J . Am. Chem. Soc . , 2007 , 129 , 6702 .6.J . L .Mi, X. B. Zhao, T. J. Zhu, J. P. Tu, G. S. Cao. [J].J Alloy. Compd. , 2006 , 417 , 269~272 .7.Chen Y L,Chu J H, Analytis J G ,et al.Massive Dirac Fermi the surface of a magnetically doped topological insulator[J].Science 2010,3296598.Hasan M Z, Kane C L. colloquium: topological insulators[J]. Rev Mod Phys,2010,82:30459.Moore J E .topological insulator :The next generation[J].Nat phys,2009,5:37810.刘文亮.绝缘拓扑体表面调控的第一性原理的研究,[D]. 湘潭大学, 201311.Analytis J G,Mc Donald R D, Riggs S C, et al .Two-dimensional surface state in the question limit of a topological insulator [J] .Nat Phys,2010,6,96012.杨红, 拓扑绝缘体中的自旋劈裂,[D]. 湘潭大学, 201313.Segall M D,philip L J D,probert M J,et al.First-principles simulation:Ideas,illustration and the CASTEP code.J Phys-Condens Matter ,2002,14(11):2717-2744[DOI]刘文亮,拓扑绝缘体表面态调控的第一性原理研究,[D]湘潭大学,2013.14.。