Bi2Se3基拓扑绝缘体薄膜的Si异质外延生长研究

作为最有前途的拓扑绝缘体材料之一，层状化合物Bi2Se3一经发现就立即得到了广泛的重视。然而受制于材料质量，到目前为止，Bi2Se3的许多新奇物性尚未被观察到。本项目针对单晶Bi2Se3薄膜制备这一当前研究热点，采用多种原位与非原位实验观察手段，结合第一性原理计算，以分子束外延技术构建特定表面结构或者生长特定缓冲层以钝化活性Si表面，系统地研究Bi2Se3在Si衬底上的异质外延生长。内容包括确定Si钝化表面的原子构型与界面缓冲层结构，研究Bi2Se3在不同界面钝化工艺下进行生长的表面及界面结构演化过程；研究薄膜中应力的驰豫并探索外延缺陷产生的机理；研究Bi2Se3基本电学性质与薄膜制备工艺条件（包括改变束流比与生长温度）之间关系，确定适合Bi2Se3在Si衬底上外延生长的最佳界面工艺及生长条件。预计通过该研究能够实现在Si衬底上制备出高质量Bi2Se3单晶薄膜以供器件制作的目的。

本项目按照实验计划对Bi2Se3拓扑绝缘体薄膜在Si衬底上的外延生长科学进行了系统的研究，并在取得预期成果后进行了适当扩展研究。取得的研究成果主要体现在以下几方面：1.确定了Bi2Se3 单晶薄膜优化生长条件，获得了实现Bi2Se3 高质量外延生长所需的动力学参数，为确定Bi-Se化合物非平衡外延生长相图提供了依据。2.确认了Bi2Se3基层状材料的外延生长动力学特性。3.解决了Si衬底上Bi2Se3纵向畤匹配与取向控制生长问题。4.采用化合物源在钝化Si衬底表面成功生长出Bi2Se3单晶与合金薄膜并测量得到合金的价带结构。5.国际上首次直接测量得到Bi2Se3/Si(111)肖特基异质结的基本能带参数。6.研究了Bi2Se3薄膜的微细加工科学。其他成果还包括：在以分子束外延技术生长的高质量Bi2Se3/Si外延单晶薄膜上，观察到了超导体和拓扑绝缘体的相互作用现象，以及Bi2Se3本征薄膜中新颖的各向异性磁输运现象。.该项目支持下开展了一系列有效的科研合作与学术交流工作，实验工作中包括与北京大学国际量子材料中心合作开展拓扑绝缘体低温量子输运特性研究以及与中国工程物理研究院合作进行材料电子芯能级结构与价带结构研究。在本项目的支持下，积极开展了与拓扑绝缘体研究相关的多项国际学术活动，包括2次受邀在国际知名学术会议上进行学术报告。在华组织国际学术会议2次，邀请到了包括美国物理学会会士，欧美国家科学院/工程院院士在内的多位著名科学家及其团队来华进行讲学交流，极大提高了项目依托单位的学术交流层次与国际学术知名度，获取了大量前沿科技情报，建立起了国际合作关系。项目现已发表SCI论文1篇（另已投稿5篇），出版英文专著2本，申请国家发明专利6项。项目共培养博士研究生在读2人，硕士研究生在读4人。