本文選題：拓?fù)浣^緣體　切入點(diǎn)：磁性拓?fù)浣^緣體　出處：《上海交通大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：拓?fù)浣^緣體是一種內(nèi)部絕緣,而表面具有有納米級(jí)厚度金屬導(dǎo)電層的新型量子材料。其金屬界面態(tài)受時(shí)間反演對(duì)稱性保護(hù),不受非磁性雜質(zhì)散射的影響(具有魯棒性),因而在自旋電子學(xué)、量子器件等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。掃描隧道顯微鏡(STM)以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的自旋極化STM技術(shù)是近二十年來(lái)在表面物理和表面磁性研究方面最成功和有效的研究手段之一,其獨(dú)特的表面敏感性正適合于研究拓?fù)浣^緣體這類(lèi)有豐富表面電子特性的物理體系。在本工作中,我們利用STM研究了二維拓?fù)浣^緣體Bi(111)薄膜在三維拓?fù)浣^緣體表面的生長(zhǎng)模式以及Bi(111)一維拓?fù)溥吘墤B(tài);利用自旋極化STM研究了磁性摻雜拓?fù)浣^緣體表面態(tài)的磁各向異性。具體來(lái)說(shuō),本論文的工作包括以下三個(gè)方面:(1)三維拓?fù)浣^緣體Bi_2Se_3以及Bi_2Te_3上超薄Bi薄膜的生長(zhǎng)。我們?cè)谌S拓?fù)浣^緣體表面上實(shí)現(xiàn)了Bi(111)薄膜的逐層(雙層)生長(zhǎng),并結(jié)合高能電子衍射對(duì)晶格常數(shù)的實(shí)時(shí)精確測(cè)量能力以及STM的微觀形貌分辨能力系統(tǒng)研究了Bi(111)超薄膜的生長(zhǎng)特點(diǎn)。我們首先研究了Bi(111)在Bi_2Se_3表面的生長(zhǎng)。Bi(111)體材料表面晶格常數(shù)為4.54?,Bi_2Se_3表面晶格常數(shù)為4.13?,在Bi_2Se_3上生長(zhǎng)Bi(111)時(shí),由于兩者之間接近9.9%的晶格失配,第一層Bi(111)的晶格被壓縮到了4.21?,然后迅速弛豫到了第二層的4.35?和第三層的4.39?,并從第四層開(kāi)始緩慢向體材料晶格弛豫。同時(shí),在第二層的生長(zhǎng)初期,發(fā)現(xiàn)了從Bi(110)到Bi(111)的結(jié)構(gòu)相變;在第二、第三層Bi(111)上發(fā)現(xiàn)了具有準(zhǔn)六角周期性的原子結(jié)構(gòu)彎曲,其中第二層的周期約為9.9nm,第三層的周期約為6.3nm。Bi(111)與Bi_2Te_3(表面晶格常數(shù)4.38?)表面晶格更加匹配。在此基礎(chǔ)上,我們進(jìn)一步研究了Bi(111)在Bi_2Te_3表面的生長(zhǎng),與Bi_2Se_3上的情形相比,由于Bi_2Te_3的晶格(4.38?)更加接近于Bi(111)體材料,在Bi_2Te_3上第一層Bi(111)薄膜的邊界更平直,飽和覆蓋率更大,且在更高覆蓋率下并沒(méi)有出現(xiàn)晶格畸變,只表現(xiàn)出和Bi_2Se_3上第四層以后相似的生長(zhǎng)特征。(2)Bi(111)雙層(BL)膜中一維拓?fù)溥吘墤B(tài)的空間和能量分布。鑒于在Bi_2Te_3表面上Bi(111)薄膜較好的成膜情況,我們?cè)谶@個(gè)體系中研究了二維拓?fù)浣^緣體Bi(111)的性質(zhì)。利用STM隧道能譜測(cè)量,我們得到了1BL和2BL的Bi(111)薄膜的電子態(tài)密度在邊緣以及內(nèi)部的空間、能量分布;結(jié)合角分辨光電子能譜和第一性原理計(jì)算,我們確認(rèn)了在邊緣上觀察到的邊緣態(tài)屬于二維拓?fù)浣^緣體Bi(111)雙原子層結(jié)構(gòu)的拓?fù)溥吘墤B(tài),并得到了拓?fù)溥吘墤B(tài)在能量和空間上的分布。實(shí)驗(yàn)表明,拓?fù)溥吘墤B(tài)位于Bi(111)帶隙中,但能量分布范圍向低能量區(qū)域有擴(kuò)展,且在空間上以約1~2nm寬度分布于邊緣。這些都肯定了理論上對(duì)Bi(111)能帶結(jié)構(gòu)和拓?fù)溥吘墤B(tài)的預(yù)言和描述。(3)拓?fù)浔砻鎽B(tài)的磁各向異性。我們結(jié)合自旋極化STM的表面磁性測(cè)量以及振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)的體磁性測(cè)量,系統(tǒng)研究了熔體法生長(zhǎng)的磁性拓?fù)浣^緣體Cr0.05Sb1.95Te3的磁性。體測(cè)量表明Cr0.05Sb1.95Te3的易磁化軸垂直于(111)面,矯頑力為50Gs;難磁化軸在(111)面內(nèi),飽和磁場(chǎng)為1T。但自旋極化STM的表面測(cè)量除了發(fā)現(xiàn)了與體測(cè)量一致的難易軸行為之外,在(111)面內(nèi)還發(fā)現(xiàn)了矯頑力為500Gs的易軸行為。通過(guò)分析能量分辨的表面自旋極化率,我們發(fā)現(xiàn)拓?fù)浔砻鎽B(tài)表現(xiàn)出與體磁性不同的磁化行為,即體材料的易磁化軸垂直膜面,而拓?fù)浔砻鎽B(tài)的易磁化軸在面內(nèi)。這一奇特的磁各向異性以及奇異磁化率現(xiàn)象對(duì)于理解磁性拓?fù)浣^緣體有著重要意義。
[Abstract]:The growth of Bi ( 111 ) thin films on the surface of Bi _ 2Se _ 3 has been studied by using spin - polarized STM . ( 3 ) The magnetic anisotropy of the topological surface states . The magnetic properties of the magnetic topological insulators Cr0 . 05Sb1 . 95Te3 grown by the melt method are studied by combining the surface magnetic measurement of the spin - polarized STM and the bulk magnetic measurement of the vibrating sample magnetometer .

【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：O484

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