【摘要】：拓撲絕緣體是一種新的量子物態(tài)。二維拓撲絕緣體材料體內為有能隙的絕緣態(tài),邊緣為無能隙的金屬態(tài)。這種無能隙的邊緣態(tài)來源于其體能帶結構的拓撲非平庸性質,受到時間反演對稱性的保護。它具有自旋—動量鎖定關系,非磁性雜質的背散射是嚴格禁止的。這些新奇的性質使二維拓撲絕緣體在自旋電子學器件、拓撲量子計算等方面有非常重要的應用前景。目前,理論上預言了很多材料是二維拓撲絕緣體。其中不少材料被預測為人們一直尋找的理想二維拓撲絕緣體,它們具有較大的體能隙,可以應用于室溫等環(huán)境。同時,還具有電子結構比較簡單和拓撲相可調控等性質。然而,大多數(shù)理論預言的二維拓撲絕緣體材料都有待實驗證實。在本論文中,我們選擇以理論上預言的兩種理想二維拓撲絕緣體——WTe_2和Bi(111)薄膜為研究對象,利用掃描隧道顯微鏡/譜(Scanning Tunneling Microscopy/Spectroscopy,STM/S)表面分析技術和分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,MBE)薄膜生長方法,對于兩種材料可能存在的拓撲邊界態(tài)進行研究。同時,對在MBE生長Bi薄膜過程中得到的Bi(110)/NbSe_2異質結新奇電子態(tài)進行了研究。本論文主要取得了以下研究結果:(1)在解理的1T′-WTe_2塊材樣品上發(fā)現(xiàn)其邊界具有一維的局域邊界態(tài)。這種邊界態(tài)對邊緣結構和取向不敏感,表現(xiàn)出魯棒性,表明該邊界態(tài)具有拓撲非平庸的性質。結合第一性原理計算,我們進一步證實了實驗觀察到的邊界態(tài)是拓撲非平庸的,它來源于單層1T′-WTe_2拓撲非平庸的電子結構。因為WTe_2層間是很弱的vdW相互作用,它沒有改變單層1T′-WTe_2的拓撲性質。這個結果為單層1T′-WTe_2是二維拓撲絕緣體提供了間接的實驗證據(jù)。另外,實驗中發(fā)現(xiàn)解理的1T′-WTe_2樣品中有較多內嵌的納米帶,納米帶兩邊的疇界表現(xiàn)出面內電極化效應。(2)利用MBE方法,在超導襯底2H-NbSe_2單晶上制備了原子級平整、大面積的高質量Bi(111)薄膜。對Bi(111)薄膜邊緣結構和局域電子態(tài)的研究發(fā)現(xiàn),Bi(111)薄膜的臺階存在兩種無磁性的邊緣結構,分別是Zigzag邊界和2×1重構邊界。其次,在兩種構型的邊界上都存在一維的拓撲邊界態(tài),兩種邊界的拓撲邊界態(tài)在能量尺度和實空間上表現(xiàn)有所不同,證明可以通過修飾邊界結構來修改拓撲邊界態(tài)的表現(xiàn)形式。在不同厚度Bi(111)薄膜的單層臺階邊界上都觀察到了一維拓撲邊界態(tài),包括薄膜厚度大于理論預言的拓撲相變臨界厚度。結合第一性原理計算和微擾理論分析,證明了雙原子層(Bilayer,BL)Bi(111)的拓撲邊界態(tài)與Bi襯底的厚度無關。襯底厚度增加改變了整個體系的拓撲性質,但是1BL Bi(111)體能帶的拓撲非平庸性質依然保留,所以Bi(111)薄膜的拓撲邊界態(tài)總是存在的。另外,我們還在Bi(111)2BL高的邊界觀察到了一維拓撲邊界態(tài)。最后,由于超導近鄰效應,Bi(111)薄膜內部和邊界上誘導出了超導態(tài)。邊界可能具有拓撲超導的性質,將邊界態(tài)打斷后有可能探測到馬約拉納零能態(tài)。(3)利用MBE方法,在超導襯底2H-NbSe_2單晶上制備了原子級平整的類炓磷結構Bi(110)薄膜。對Bi(110)薄膜結構和電子態(tài)的研究發(fā)現(xiàn),Bi(110)薄膜的電子態(tài)受到薄膜厚度的縱向調制和莫爾條紋的橫向調制。密度泛函理論(Density Functional Theory,DFT)計算的結果表明,Bi(110)/NbSe_2異質結界面和Bi-Bi層間具有較強的準共價鍵相互作用。正是界面和層間的準鍵相互作用,導致Bi薄膜的電子態(tài)受縱向和橫向的調制。由于第二層Bi(110)薄膜費米能級附近有很高的局域態(tài)密度,導致在第二層Bi(110)薄膜上觀察到了超導近鄰效應增強的反常行為。同理,可推測第二層Bi(110)薄膜具有非常大的塞貝克系數(shù),有很好的熱電性質。另外,這種層間準鍵相互作用的效應還可以推廣到其他的二維層狀材料雜化體系中,屆時更多的復雜量子現(xiàn)象將有可能被觀察到。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O469

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本文編號：2794547