拓扑绝缘体薄膜材料的分子束外延生长及其电子学性质

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拓扑绝缘体是一种全新的量子物质态，它的主要特征是体内绝缘而表面导电。由于其特殊的表面态结构具有丰富的物理内涵和广泛的潜在应用前景而受到学术界和工业界的高度重视，已成为近年来凝聚态物理研究的热点领域。然而，在对拓扑绝缘体输运性质的测量中，人们发现由于存在大量的体缺陷和表面掺杂效应，使得表面态的信号常常被体态所淹没，而所有与拓扑表面态相关的有趣现象都要求首先得到本征的拓扑绝缘体（即费米能级位于体带隙中）。因此，有效抑制体态电导和分离表面态电导成为了拓扑绝缘体领域亟待解决的重要问题之一。在本论文中，针对拓扑绝缘体材料中的这个问题，通过分子束外延方法，结合微纳加工手段，我们从钛酸锶（STO）衬底处理、薄膜材料生长、化学势调控、垂直场和平行场的输运测量等几个方面对拓扑绝缘体Bi2Se3和 (Bi1?xSbx)2Te3薄膜的电输运性质进行了系统的研究。另外，我们还利用扫描隧道显微镜对(Bi1?xSbx)2Te3薄膜的电子态进行了研究。论文得到的主要实验结果如下： 1. 通过优化衬底处理条件及分子束外延生长时的衬底温度，我们可以在绝缘 STO(111) 衬底上制备出具有低初始载流子浓度的高质量 Bi2Se3单晶薄膜样品。进一步对样品进行细致的输运测量，可以得到以下三个方面的结果。首先，门电压调控能力强，其化学势能被从导带调到价带。其次，垂直场下，由Hikami-Larkin-Nagaoka (HLN) 公式描述弱反局域效应时得到的拟合参数 α 具有很好的普适性：当体态也参与导电时，表面态与体态耦合较强，符合单通道的 HLN 公式，α≈1/2；当体态有较好的绝缘性时，表面态与体态退耦合，符合两通道的 HLN 公式，α≈1。最后，平行场下类似的低场负磁电导效应起源于薄膜体系中的有限厚度效应，可以由 Altshuler-Aronov (AA) 公式描述。 2. 利用分子束外延方法，我们在 STO 衬底上制备出了高质量的三元(Bi1?xSbx)2Te3单晶薄膜，并对其输运特性进行了研究。我们发现，通过改变Sb 的含量可以对其化学势及狄拉克点进行系统的调控，并且存在一个最优化学配比区间（x = 0.5 ± 0.1）。位于此区间的样品，通过门电压调控在一个很宽泛的厚度范围（4 nm ≤ d ≤ 40nm）内都能实现双极效应。另外，在双极效应区间还观测到了线性磁阻现象。这些结果为更深入地研究本征拓扑绝缘体的输运特性提供了一个很好的基础。 3. 通对(Bi1?xSbx)2Te3薄膜平行场下磁阻的深入研究，结合平行场输运行为的理论，我们从中提取出了一个可用于描述体态与上下表面态及上下表面态之间耦合强度的参数 β，并且当 β = 0 时对应于理想的拓扑绝缘体。这为我们寻找体态绝缘性更好的拓扑绝缘体材料提供了新的思路。 4. 利用扫描隧道显微镜的dI/dV mapping 测量，我们观测到了(Bi1?xSbx)2Te3（x ? = 0）表面在费米面之上形成的两套形状和变化规律都类似的准粒子干涉花样，它们分别属于低能区（约 ?0.80V ≤ T ip Bias ≤ ?0.20V ）和高能区（约?1.50V ≤ T ip Bias ≤ ?0.90V ）。根据体系的能带结构，我们对它们的起源进行了探讨。这是首次在拓扑绝缘体表面观测到高能区的准粒子干涉花样，对深入理解拓扑绝缘体表面态具有重要的参考价值。