本文選題：拓撲絕緣體　切入點：超導體　出處：《上海交通大學》2015年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：Majorana費米子服從非阿貝爾統(tǒng)計規(guī)律,其反粒子與其自身完全等價。固體中的Majorana費米子可以用來實現(xiàn)容錯的拓撲量子計算,近幾年吸引了很多凝聚態(tài)物理研究者參與到探究與探尋Majorana費米子的研究中。理論預言,將超導體的超導性(庫珀對)引入到拓撲絕緣體中,可形成拓撲超導體,在此體系中可發(fā)現(xiàn)Majorana費米子。在本論文中,利用分子束外延技術和掃描隧道顯微鏡(STM),并輔助以角分辨光電子能譜(ARPES),我們研究了在傳統(tǒng)超導體NbSe2襯底上生長的拓撲絕緣體薄膜的超導近鄰效應以及在NbSe2襯底上生長的Bi薄膜的性質。論文主要取得了以下研究成果:(1)利用分子束外延(MBE)方法,將拓撲絕緣體Bi2Se3薄膜生長在s波超導襯底NbSe2上,成功構建了超導體/拓撲絕緣體單晶超結構。利用掃描隧道顯微鏡,在NbSe2襯底上,對Bi2Se3外延生長的初始過程以及對界面的晶體結構進行了詳細的研究。我們發(fā)現(xiàn)在第一層的Bi2Se3生成之前,會首先自發(fā)地產(chǎn)生一個BiSe的界面層。通過對STM形貌的分析,輔以第一性原理計算,我們確定了該界面層的晶體基本結構為NaCl型。我們發(fā)現(xiàn)該界面層的存在可以解決NbSe2襯底和Bi2Se3外延薄膜之間的晶格失配問題,這也證明了該界面層存在的合理性和必然性。通過掃描隧道顯微譜(STS),我們發(fā)現(xiàn)在Bi2Se3薄膜上的通過超導近鄰效應所產(chǎn)生的超導能隙隨薄膜厚度的增大而呈現(xiàn)出指數(shù)衰減的變化趨勢。在外加磁場下,超導能隙隨著磁場的增大顯著減小,且其STS譜的相干峰也隨之明顯減弱。通過在400mK和4.2K兩種溫度下的實驗對比,我們發(fā)現(xiàn)400mK下的譜線相干峰更強,同時超導能隙更明顯。這一系列的實驗數(shù)據(jù)表明,在NbSe2上構建的Bi2Se3薄膜具有超導電性。我們進一步通過ARPES的實驗,證實了此薄膜上拓撲表面態(tài)的存在。因此,我們在Bi2Se3薄膜上觀察到了超導能隙和拓撲表面態(tài)的共存。這一研究結果為在凝聚態(tài)領域中探測與利用Majorana費米子提供了新的研究平臺。(2)我們研究了Sb2Te3薄膜在超導襯底NbSe2上的生長工藝,得到了高質量的Sb2Te3薄膜,通過對薄膜表面電子朗道能級的測量和分析,確定了Sb2Te3薄膜Dirac點形成的關鍵厚度為4QL,還研究了Dirac點的位置隨著薄膜厚度的變化關系。隨后又進一步生長了(Bi1-xSbx)2Te3薄膜,通過Bi的摻雜,我們逐漸將費米能級調到位于體能隙之中的Dirac點附近。進一步,通過對超導能隙以及超導渦旋態(tài)芯態(tài)的STS測量,我們發(fā)現(xiàn)費米能級相對于體能隙的位置對超導近鄰效應有很大的影響,該影響甚至超過了薄膜厚度對于近鄰效應的影響。這證明體能帶對于體系超導近鄰效應起到了主要作用,而拓撲表面態(tài)雖然對超近鄰效應貢獻微弱,但卻是產(chǎn)生拓撲超導體和Majorana費米子所不可或缺的重要部分。(3)最后,我們還研究了Bi薄膜在NbSe2襯底上的生長,我們發(fā)現(xiàn)第一層為Bi薄膜為(110)晶向,隨著薄膜厚度的繼續(xù)增加,Bi薄膜表面晶向將發(fā)生由(110)到(111)的轉變。利用STM,我們對Bi薄膜的這一轉化過程的形貌和電子性質進行了詳細地研究,尤其對Bi(110)表面的原子分辨和摩爾條紋進行了詳細的研究。利用ARPES,我們對轉變前后的表面能帶進行了測量,發(fā)現(xiàn)對于Bi(110)表面,無法得到表面的電子能譜,而繼續(xù)生長至薄膜表面晶向轉化為Bi(111)后,則可得到表面的能帶色散以及費米面的信息。我們著重對Bi(111)表面能帶進行了研究。理論上預言單層的Bi薄膜是二維的拓撲絕緣體,我們的研究工作有助于人們對于Bi薄膜電子性質及其拓撲性質的研究。
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【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O484

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