分子束外延生长n型BaBiO3拓扑绝缘体的原位角分辨光电子能谱研究

Topological Insulator are a new class of quantum materials that are characterized by robust topological surface states inside the bulk insulating gap, which hold great potential application in spintronics and quantum computing. One major obstacle is the relatively small size of the bulk bandgap for the known topological insulator materials. Recently, based on the density-functional theory calculations, electron-doped BaBiO3 emerges as a topological insulator with a large direct bandgap of 0.7 eV. As the first oxide topological insulator, it is naturally stable against surface oxidization and degradation, distinct from chalcogenide topological insulators. An extra advantage of BaBiO3 lies in its ability to serve as an interface between superconductor and topological insulator to realize Majorana fermion. Therefore, it would be very significant to confirm the topological insulating behavior in experiment. In this project, taking the advantage of Molecular Beam Epitaxy/Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy integrated system, high quality electron-doped BaBiO3 films will be grown by MBE, and then in-situ investigate the detailed electronic structure of the film by ARPES. In this way, the topological insulating behavior in electron-doped BaBiO3 will be confirmed experimentally, and thus a new class of topological insulator will be established for future application in quantum computing.

拓扑绝缘体是一种具有新奇量子特性的全新的物质形态，在自旋电子学和量子计算等方面有着潜在应用前景。但较小的体能隙和化学性质不稳定等不足是目前发现的拓扑绝缘体实现实际应用的主要障碍，因此寻找具有比较大体能隙且化学性质稳定的新型拓扑绝缘体成为了当前研究的重点。理论计算预言，电子掺杂的BaBiO3材料在自旋轨道耦合作用下Bi 6s和6p能带会发生反转从而可转变为拓扑绝缘体，并且其体能隙预测高达0.7eV，因此从实验上证实其拓扑绝缘性具有非常重要的意义。但传统ARPES技术对此种具有钙钛矿结构的材料无法进行有效表征，从而无法证实其拓扑绝缘性。本项目拟采用MBE/ARPES集成系统，在MBE系统制备高质量电子掺杂的BaBiO3薄膜基础上，利用ARPES原位测量其能带结构、可能的能带反转点以及表面狄拉克点位置之间的相互关系等新奇物理现象，以从实验上证实n型BaBiO3薄膜的拓扑绝缘体性质。

拓扑绝缘体(Topological Insulator)在自旋电子学和量子计算等方面有着巨大的潜在应用前景，是近几年来凝聚态物理学研究的重要前沿之一。但目前已经发现的以Bi2Se3为代表的拓扑绝缘体由于其比较小的体能隙以及化学性质不稳定等问题成为其实现实际应用的主要障碍，因此寻找具有大体能隙并且化学性质稳定的新型的拓扑绝缘体材料成为研究工作者们目前研究的焦点和重点。有相关理论表明BaBiO3在电子掺杂的条件下可实现拓扑绝缘体，其体能隙高达0.7 eV，相较其他拓扑绝缘体，其在实现器件应用中具有巨大的优势。并且由于其为氧化物材料，相比其他硫族化合物拓扑绝缘体其表面更稳定更不容易被氧化和退化。另外，BaBiO3基拓扑绝缘体材料一个潜在的优势是可以通过不同类型掺杂构建BaBiO3基的超导/拓扑绝缘体同质p-n结界面，从而有利于马约拉纳费米子的实现。因此能够从实验上证实n型BaBiO3材料的拓扑绝缘性具有非常重要的意义。本项目的主要研究内容是利用分子束外延制备出高质量的BaBiO3薄膜材料，摸索获得制备高质量的BaBiO3薄膜的生长条件和方法，并利用分子束外延/角分辨光电子能谱仪集成实验平台的优势，在通过分子束外延系统制备高质量的电子掺杂的BaBiO3薄膜基础上，利用角分辨光电子能谱系统原位表征其电子结构，从而研究其中可能的拓扑绝缘相。已取得的主要研究成果是利用分子束外延技术制备获得了高结晶质量原子级平整的BaBiO3薄膜材料，其X射线衍射结果的摇摆曲线半峰宽只有0.057度，原子力显微镜获得的表面粗糙度只有0.147 nm，其结果要优于目前文献中的报道值，并且通过原位高能电子衍射仪研究了其在SrTiO3衬底上生长的动力学过程。在此基础上利用分子束外延与角分辨光电子能谱仪系统集成的优势在高质量BaBiO3薄膜不暴露大气的情况下获得了BaBiO3材料清晰的价带结构。该研究结果为实现电子掺杂的BaBiO3材料获得氧化物拓扑绝缘体奠定了基础，为之后实现马约拉纳费米子提供一个可能的有独特优势的新体系。