低维Bi-Te基纳米材料的制备及其电输运的尺寸效应研究

As the three dimensional Topological Insulator, Bi2Te3 possesses the massless Dirac fermions in its surface state. The research on the transport properties of the surface state is of great importance not only for the theoretical purpose but also for the promising applications of spintronic devices in the future. Fabrication of the low dimensional material to increase the surface-to-volume ratio, for the purpose of minimizing the influence of the bulk conductance is an effective way to study the physical characteristics of the surface state. Currently, research on the transport properties of the low dimensional Bi2Te3 is mainly focused on the bulk and surface state, few concerns the edge state. In this project, the RF magnetron sputtering is employed and in combination with Electron Beam Lithography for the fabrication of Bi2Te3 layers with the size in the three directions are all confined in nanoscale. The edge conductance model will be established based on the experimental detection of the electrical structure of the edge area in combination with the First Principle Calculation of atomic structure and electrical properties of the edge structure model, such as: band structure, density of states, electron localization function and so on. By accurately controlling the ratio of surface to edge atoms, the electrical transport properties of surface state and edge state, as well as the influence of surface-edge state coupling on the transport properties of the material are intended to be thoroughly studied. Consequently, the theoretical model on the electrical transport properties of low dimensional Bi2Te3 materials based on the edge state conductance are planned to be established, which will provide theoretical supports for the manipulation of transport properties of low dimensional Bi2Te3 in order to realize novel device functions.

作为三维强拓扑绝缘体材料，Bi2Te3具有表面无质量的狄拉克费米子，其表面态输运性质的研究不仅具有重要的理论价值且对未来自旋器件的应用意义巨大。将Bi2Te3材料低维化以提高比表面积，从而降低体载流子电导的影响，是研究其表面态物理特性的有效途径。目前，对低维Bi2Te3输运特性的研究主要集中在体态和表面态，缺乏对边缘态的认识。本项目拟采用射频磁控溅射和电子束光刻相结合的方法，制备三维方向均在纳米尺度的Bi2Te3层状纳米结构，通过对Bi2Te3层状纳米结构边缘电子结构的探测，结合第一性原理计算边缘的原子排布构型以及能带结构、态密度和电子局域函数等电特性，构建边缘导电模型，通过精确控制其表面原子和边缘原子的比例，研究其表面输运和边缘输运特性，以及表面态-边缘态耦合对材料电输运性质的影响，建立基于边缘导电的低维Bi2Te3纳米结构电输运机制的理论模型，为基于器件功能的输运特性调控提供理论依据。

Bi2Te3受时间反演对称性保护的拓扑表面态具有穿过费米面的单个狄拉克锥，由于自旋轨道耦合作用，电子在费米面附近将失去有效质量，成为无能隙的自旋分辨的二维电子气，表面态电子的自旋和晶体动量锁定，不受非磁性杂质和缺陷的影响。目前电子器件的发展趋势是实现低维化和纳米尺度下的优异性能，因此研究低维Bi2Te3的电子特性和传导行为对其在电子自旋器件中的应用具有重要意义。. 本项目从理论和实验两个方面对Bi2Te3纳米材料的电子结构和输运特性进行了研究，包括：（1）利用基于密度泛函理论的第一性原理计算设计了具有Rashba自旋分裂的Bi2Te3异质结，利用新型狄拉克材料氢化磷烯与少层Bi2Te3之间非直接成键下波函数的正交杂化，使得Bi2Te3表面态能带发生自旋分裂，且分裂程度受Bi2Te3层数及范德华间距大小调控。在该体系中电子具有特殊的自旋结构，自旋方向相反的电子分别位于Bi2Te3上下两个五层单元内，该结果说明少层Bi2Te3与氢化磷烯形成的范德华异质结在自旋电子方向具有重要研究价值，同时为通过界面调控自旋输运提供了思路。（2）利用射频磁控溅射和电子束曝光方法制备了Bi2Te3一维纳米线及电测试单元，通过电阻温度测试和低温磁阻特性分析，发现维度和尺寸引入的无序度使得电子处于强局域状态，表现出负的阻温和低温磁阻特性，电子传导过程可用跃迁输运机制解释。该工作表明低维尺度下可控的原子无序程度可以成为调控体系电子传输特性的一种有效手段。（3）利用第一性原理计算研究了具有强自旋轨道耦合体系中的一些特殊电子特性，包括新型二维狄拉克材料，可调控Rashba自旋分裂异质结构及二维单层材料，研究了它们的原子结构和能量稳定性，以及能带和自旋构型，这些材料体系均表现出优异的电子特性，可被用于电子及自旋器件功能的设计和实现。