拓扑绝缘体二维纳米结构与器件.pdf

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1、物理化学学~(WuliHuaxueXuebao)OctoberActa尸．-Chim．Sin．2012，28(10)，2423—24352423[Review】doi：10．3866／PKU．WHXB201208312Ⅵ，、vw．whxb．pku．edu．cn拓扑绝缘体二维纳米结构与器件李辉彭海琳刘忠范f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；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

2、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SbTe。，BiSe。和BiTe。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

3、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

4、到拓扑绝缘体BiSe。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·DimensionalNan

5、oStruCtureSofTopologicalInsulatorsandTheirDevicesLIHui’一PENGHai-Lin’’LIUZhong—Fan’'(CentreforNanochem&try(CNC)，CollegeofChem&tryandMolecularEngineering,PeMngUniversity,Beijing100871R．China；2KeyLaboratoryofSolarThermalEnergyandPhotovoltaicSystemofChineseAc

6、ademyofSciences．InstituteofElectricalEngineering,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,PR．China)Abstract：Three—dimensionaI(3D)topologicalinsulatorsareanewstateofquantummatterthatareinsulatinginthebulkbuthavecurrent—carryingmasslessDiracSUrfacestates．Nano

7、structuredtopologicaIinsulators，suchasquasi-two-dimensional(2D)nanoribbons，nanoplates，andultrathinfiImswithextremelylargeSUrface-to-volumeratios，distinctedge／surfaceefects，anduniquephysicochemicalproperties，canhavealargeimpactonfundamentaIresearchaswelIas

8、inapplicationssuchaselectronics．spintronics．photonics．andtheenergysciences．Few—layertopologicalinsulatornanostructureshaveverylargeReceived：July27，2012；Revised：August3l，2012；PublishedonWeb：August31，2012．Correspondin