拓扑绝缘体的表面化学和催化研究

Topological insulator(TI) is a new quantum matter with metallic surface state and insulating bulk behaviour.Due to its unique physical properties,TI is one of the hottest research topic in the field of condensed matter physics.The spin-polarized metallic surface state plays a crucial role for these interesting phenomena.Thus it is important to understand the influence of surface chemistry on the unique surface state of TI.On the other hand, the exotic spin-polarized surface state maybe can induce novel surface processes.Furthermore,by doping, defecting or gating,the electronic structure of surface state can be tuned dramatically,which indicates that the surface properties of TI might be modulated accordingly. .Based on this interesting and promising scientific background,this project is aimed at elucidating the mutual influence of the physical and chemical properties of TI.It is expected that,by controlling the quantum state of TI,the surface chemistry on TI can be modified in a controllable way.By combination of material synthesis（molecular beam epitaxy）,in situ characterization(low-temperature scanning tunnling microscopy and ambient-pressure X-ray photospectroscopy), catalytic performance test, we believe that some innovative progress will be made in this multidisciplinary field.This study will not only deepen the understanding of the intrinsic physical properties of TI,but pave the way for the possible application of TI on catalysis.

拓扑绝缘体是表面为金属态而体态为绝缘态的一种新的量子物质状态，由于其独特的物理性质，拓扑绝缘体是目前凝聚态物理领域的研究热点。拓扑绝缘体的自旋极化金属表面态在这些新奇物理效应中起到了至关重要的作用，研究表面化学对拓扑绝缘体金属表面态的影响对于理解拓扑绝缘体物理性质非常重要，同时拓扑绝缘体金属表面态的奇异性和可调控性也将会诱导出新奇的表面化学性能。本项目正是抓住拓扑绝缘体表面化学和物理性质相互影响的这一关键突破口，沿着材料的可控制备（分子束外延生长）、表面电子结构和表面化学原位研究（低温扫描隧道显微镜和近常压X射线光电子能谱）、材料的表面催化应用这一明确的研究思路，有望在物理化学交叉学科上作出具有原始创新性的工作。此项研究一方面可以加深人们对拓扑绝缘体本征物理性质的理解，另一方面可以开拓拓扑绝缘体材料在催化领域的应用。

考虑到国际相关方向的研究进展（本课题立项和执行初期，国际上已有多篇相关工作发表）以及课题组研究方向的调整（结合国家实验室的需要，方向调整为二维热电材料），本课题实际研究的主要内容为二维材料的制备及其物性研究，具体包括二维拓扑绝缘体材料（Bi2Se3、 Sb2Te3）、二维界面超导材料（单层FeSe薄膜）和二维热电材料（MoS2、WS2）三个方面。.a. 二维拓扑绝缘体材料:.成功制备了厚度和形状可控的Bi2Se3和Sb2Te3的二维原子晶体；利用红外近场光学显微镜（IR-SNOM）研究了其形貌和表面的电子结构，揭示了其由生长导致的表面电子结构的不均匀性。该部分研究对于理解和控制二维拓扑绝缘体材料的生长过程提供了指导，并对其本征拓扑性质的测量也提供了非常重要的信息。.b. 二维界面超导薄膜材料.利用自行搭建的分子束外延生长(MBE)设备，成功在SrTiO3衬底上制备单原子层FeSe超导薄膜，并利用原位扫描隧道显微镜(STM)、X射线光电子能谱(XPS)和紫外光电子能谱(UPS)研究了其形貌和电子结构随退火温度的演变过程，揭示了由于能带弯曲诱导的界面电荷转移过程，并观察到了退火过程中的电声子耦合增强效应。该研究对于理解界面增强超导机理提供了直接的实验证据，并为理性设计新型界面超导体系提供了有效指导。.c. 二维热电材料.利用放电等离子体烧结(SPS)技术，对MoS2和WS2进行了有效的元素掺杂技术，大幅度提高了其导电性，同时有效地降低其热导，并且维持较高的塞贝克系数，从而极大地提高了其热电优值，比初始未掺杂的MoS2和WS2提高了50多倍。这些研究对于开发新型的无毒高效的二维过渡金属硫化物热电材料奠定了基础。