过渡金属硫族化合物拓扑绝缘体薄膜及其异质结构的分子束外延生长和原位表征

Two dimensional topological insulator, due to hosting quantum spin Hall Effect, has been attracting great attentions. It has been predicted that some of the single layer transition metal chalcogenide, such as ZrTe5, 1T'-MoS2, 1T'-WS2 etc., are ideal 2D TI materials, and find potential in applications based on quantum spin hall effect. No doubt, growth high quality single layer transition metal chalcogenide, and therefore thickness controllable 2D TI thin films, will facilitate both fundamental research and device applications. We also propose to tailor the electronic band structure and topological edge states via doping, interface engineering, and quantum size effects etc. We also try to grow transition metal chalcogenide thin films based interface and study the exotic physical phenomena at interface.

二维拓扑绝缘体由于具有量子自旋霍尔效应而受到学术界广泛关注。一些单层过渡金属硫族化和物具有二维拓扑绝缘体性质，如ZrTe5, 1T'-MoS2, 1T'-WS2等等，在量子自旋霍尔效应方面具有潜在的重要研究价值。生长高质量的单层以及厚度精确可控的高质量过渡金属硫族化物拓扑绝缘体薄膜会推动这一方向的进一步发展。.在本项目中，我们将利用分子束外延方法，在超高真空中生长单层或厚度可控的过渡金属硫族化物拓扑绝缘体薄膜，并利用扫描隧道显微镜表征薄膜的电子结构与厚度的关系。通过掺杂以及剪裁界面工程和量子尺寸效应实现带隙结构及拓扑边界态的调控；并研究磁性掺杂对表面态的作用；以及生长基于拓扑绝缘体薄膜的理想界面体系，用于研究界面量子现象。

过渡金属硫族化物（TMD）通常具有层状的范德华结构，由于其具有很多独特的性质，而认为具有广泛的潜在应用价值。其中具有代表性的材料包括二维拓扑绝缘体1T’-WTe2 单层，第二类外尔半金属Td-WTe2单晶等等。本项目主要围绕拓扑TMD范德华材料，并拓展到其它相关的体系。在高精度制备和原位表征，以及精准物性调控方面进行了探索。在高质量的外延制备方面，发展了利用分子束外延技术进行二维范德华材料的外延技术，实现了二维拓扑绝缘体材料1T’-WTe2的单层和双层外延，实现了alfa相锑烯antimonene的单层以至多层的可控生长，且单畴面积达到了微米尺度。进一步通过外延过程中的界面调控实现了金属态和半导体态的转变，以及解释了半层-半层模式的生长机制。本项目还探索利用外延方法制备转角可控的过渡金属硫族化物异质结体系。以TiTe2和TiSe2为例，成功制备出各种不同转角的异质结体系，并且发现在小转角下出现了莫尔增强的电荷密度波态。在高精度表征拓扑边界态方面，该项目探索了非常规拓扑半金属的手性费米弧表面态探测。以CoSi材料为例，利用扫描隧道显微技术探测了费米弧表面态的大自旋轨道耦合，pi旋转对称性以及手性旋度等特征。在精准物性调控方面，以WTe2为例，通过表面蒸镀碱金属的方法引入电荷掺杂，实现了精确调控费米能级，并且发现了电子关联作用打开的库仑能隙。利用液氨法在体相WTe2中实现了常压下的超导转变。通过界面应力调控实现了窄带隙的alfa相锑烯的单层制备，在莫特绝缘体1T-TaS2表面揭示了一种新的金属化相变机制。