特殊有机分子与拓扑绝缘体表面相互作用的研究

拓扑绝缘体是一种新的量子物质态，其奇异的物理性质，不但对理解凝聚态物质的基本物理有重要的意义，而且还具有巨大的应用前景，是当前的研究热点。在本项目中，我们将在高质量、低缺陷浓度的Bi2Se3（Bi2Te3）单晶薄膜材料的表面上，吸附上有特殊结构和性质的有机分子，研究分子与Dirac表面态的相互作用所诱导的量子效应，实现对拓扑绝缘体表面态的调控，并以此开展对与表面态相关的物性分析的研究，如吸附半导体型分子调节拓扑绝缘体的载流子浓度和类型，吸附强磁性分子去破坏时间反演对称性和打开能隙，观察吸附超导分子薄膜获得Majorana费米子，构造低维人工分子结构获得对表面态综合调制。我们希望通过这些研究可以进一步了解拓扑绝缘体的物性和新奇量子现象，并为拓展拓扑绝缘体的应用提供深入的途径和可能的技术手段。

拓扑绝缘体是近几年被发现并引起广泛关注的一种新的量子物质态，完全不同于传统意义上的金属和绝缘体。这种材料表现在三维体系中，体内是有能隙的绝缘体，而表面态是无能隙的金属态，其色散在体能隙中形成Dirac锥，而在二维体系中，表现为有Dirac的边缘态。在本项目中，我们希望通过外来分子或原子与拓扑绝缘体相互作用的方式来探索对拓扑绝缘体物性调控的手段，希望能以此获得对拓扑绝缘体基本物性的理解，从而达到在实验上实现新奇量子特性的观测。在过去的四年，根据项目任务书的计划和要求，我们开展了系统有效的研究工作。我们首先通过一个模型体系（F4-TCNQ/Ag）验证了分子与衬底界面之间电荷转移对表面物性的影响。然后着重在两个拓扑绝缘体的体系中开展了利用掺杂原子或分子吸附等手段对薄膜物性的调控：一个是三维拓扑绝缘体-Bi2Te3家族，另一个是二维拓扑绝缘体-硅烯。所取得的成果有：（1）利用掺杂在Bi2Te3的导带中实现了新的自旋劈裂的表面态。（2）实现了新型二维拓扑绝缘体-硅烯的生长，发现了硅烯低温下的结构想变。（3）验证了硅烯的狄拉克电子特性和赝自旋，发现了能带弯曲现象。（4）在硅烯中发现了疑似超导的能隙。（5）对硅烯进行了氢化，实现了结构的有效调控。（6）发现多层硅烯特殊的表面结构和狄拉克电子态。