本文選題：鉍 + 超薄薄膜　； 參考：《上海交通大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：近年來,石墨烯、拓?fù)浣^緣體和過渡族金屬硫族化合物等一系列二維晶體材料由于其新奇的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)等性質(zhì)而被廣泛研究。與上述材料類似,鉍(Bi)的111取向的超薄薄膜(Bi(111))也是一種具有特殊性質(zhì)的二維電子材料。它以雙原子層(bilayer,BL)為一個單元結(jié)構(gòu),由于層間作用力較弱,因而是一種穩(wěn)定的層狀材料。研究表明Bi(111)薄膜具有一系列特殊的物理性質(zhì):(1)由于Bi的體載流子濃度小且具有較長的費米波長,Bi(111)薄膜是研究量子尺寸效應(yīng)的極佳材料。(2)體材料Bi具有非常穩(wěn)定而特殊的金屬性表面態(tài)。由于非常強的Rashba型自旋軌道耦合,Bi的表面態(tài)具有自旋劈裂(動量空間)特性,并且相對體有很高的載流子濃度,因此Bi有望成為一種高性能的二維自旋電子學(xué)材料。(3)第一性原理計算表明,超薄Bi(111)薄膜在某個臨界厚度會發(fā)生半金屬-半導(dǎo)體相變。同時最新的理論計算也顯示,超薄(5BL)的Bi(111)薄膜是一種二維的拓?fù)浣^緣體。因此研究超薄Bi(111)的電子能帶結(jié)構(gòu)、自旋結(jié)構(gòu)以及拓?fù)湫再|(zhì)對于了解這種二維材料的物理性質(zhì)和應(yīng)用具有重要的意義。本文主要圍繞超薄Bi(111)的電子結(jié)構(gòu)和自旋性質(zhì)以及背后所蘊含的物理機理,利用分子束外延(MBE)、角分辨光電子能譜(ARPES)、自旋分辨角分辨光電子能譜(SR-ARPES)和第一性原理計算對其開展了系統(tǒng)研究,并取得了以下結(jié)果:1)在Bi2Te3基底上,我們利用MBE制備出極高質(zhì)量的單個雙原子層的Bi(111)薄膜。通過ARPES結(jié)合第一性原理計算,在Bi(111)/Bi2Te3的界面上發(fā)現(xiàn)了一種由Bi(111)的Rashba劈裂態(tài)和Bi2Te3本征狄拉克錐雜化而成的新的螺旋型狄拉克錐(Helical Dirac Cone)。在這個雜化狄拉克錐的狄拉克點附近發(fā)現(xiàn)了能帶重整為垂直拉長的無色散形態(tài)。我們發(fā)現(xiàn),這種奇特的能帶重整效應(yīng)起源于強烈電子-電子多體相互作用。這是第一次利用能譜技術(shù)在類拓?fù)浣^緣體的螺旋型狄拉克錐發(fā)現(xiàn)強多體相互作用的存在。2)在Bi2Te3和Bi2Se3兩種不同基底上外延的單個雙原子層Bi(111)體系中,存在三種不同物理起源的螺旋型狄拉克錐:本征拓?fù)湫?Rashba型以及雜化型。我們結(jié)合SR-ARPES和第一性原理計算發(fā)現(xiàn),雖然三者的類型不同,但是其自旋構(gòu)型具有完全相同的軌道依賴性,決定它們自旋構(gòu)型的因素是是Rashba型自旋軌道耦合,和拓?fù)湫再|(zhì)無關(guān)。3)我們研究了Bi(111)薄膜的電子結(jié)構(gòu)隨厚度的演化。在Bi2Te3基底上制備不同厚度的Bi(111)薄膜,研究發(fā)現(xiàn)2BL及以上的Bi薄膜中的電子不再和Bi2Te3的拓?fù)浔砻鎽B(tài)發(fā)生雜化,但是和基底體能帶的雜化一直延伸至離界面3BL距離(1.2nm)。厚度低于15BL的薄膜的面內(nèi)晶格都受到壓縮。晶格壓縮改變了Bi的兩條自旋劈裂的表面態(tài)的色散關(guān)系以及費米面的形狀。
[Abstract]:In recent years, a series of two-dimensional crystal materials, such as graphene, topological insulators and transition metal sulfur compounds, have been widely studied for their novel electrical, magnetic and optical properties. Similar to the above materials, Bi (111) thin film with 111 orientation is also a two-dimensional electronic material with special properties. The bilayer layer (BL) is a kind of stable layered material because of its weak interlayer force. The results show that Bi (111) thin films have a series of special physical properties: (1) Bi (111) thin films are excellent materials for studying quantum size effect due to their small bulk carrier concentration and longer Fermi wavelength. (2) Bi (111) bulk material is very stable and stable. Special gold attribute surface state. Because the surface state of Rashba type spin-orbit coupling Bi has spin-splitting (momentum space) characteristics, and the relative body has a high carrier concentration, As a result, Bi is expected to be a high performance two-dimensional spin electronics material. (3) First-principle calculations show that ultrathin Bi (111) thin films have semimetal-semiconductor phase transitions at a certain critical thickness. The latest theoretical calculations also show that the ultrathin (5BL) Bi (111) thin film is a two-dimensional topological insulator. Therefore, the study of the electron band structure, spin structure and topological properties of ultra-thin Bi (111) is of great significance in understanding the physical properties and applications of this two-dimensional material. This paper focuses on the electronic structure and spin properties of ultrathin Bi (111) and the physical mechanism behind them. The molecular beam epitaxy (MBE), angular resolved photoelectron spectroscopy (ARPES), spin resolved angle resolved photoelectron spectroscopy (SR-ARPES) and first-principles calculations were used to study them. The following results were obtained: 1) on Bi2Te3 substrate. High quality Bi (111) thin films with a single diatomic layer were prepared by MBE. By means of ARPES and first-principle calculations, a new helical Dirac cone (Helical Dirac Cone) has been found on the interface of Bi (111) / Bi _ 2TE _ 3, which is composed of Bi (111) Rashba split state and Bi _ 2TE _ 3 intrinsic Dirac cone hybrid. Near the Dirac point of the hybrid Dirac cone, the band is reorganized into a vertical elongated non-dispersive form. We find that this peculiar band reforming effect originates from the strong electron-electron multi-body interaction. This is the first time that the existence of strong multibody interaction has been found in the helical Dirac cone of a topological insulator by using the energy spectrum technique. 2) in Bi _ 2TE _ 3 and Bi _ 2SE _ 3 single diatomic layer Bi (111) system epitaxial on two different substrates. There are three kinds of helical Dirac cones with different physical origins: intrinsic topological type Rashba type and hybrid type. In combination with SR-ARPES and first-principles calculations, we find that although the three have different types, their spin configurations have exactly the same orbital dependence, and their spin configurations are determined by the Rashba spin-orbit coupling. We have studied the evolution of electronic structure with thickness in Bi (111) thin films. Bi (111) thin films with different thickness were prepared on Bi2Te3 substrates. It was found that the electrons in 2BL and above Bi thin films were no longer hybridized with the topological surface states of Bi2Te3, but the hybridization with the substrate physical band extended to the 1.2nm distance from the interface. The in-plane lattice of thin films with thickness less than 15BL is compressed. Lattice squeezing changes the dispersion relation of two spin-splitting surface states of Bi and the shape of Fermi surface.
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O484

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本文編號：2111970