拓扑绝缘体的f电子元素掺杂及其相互作用机制

The researches on doping topological insulators with non-magnetic or magnetic impurities are of great importance. The topological nature of the topological surface states could be verified by means of non-magnetic impurity doping. And more importantly, magnetic impurity doping can give rise to many novel physical phenomena, among which the realization of the quantum anomalous Hall effect is the most notable. We have noticed that most efforts on magnetic impurity doping are devoted to d-electron transition metals doped systems, and there are quite few researches on f-electron, especially the 5f-electron element that possesses local magnetic moment, doped topological insulators and their interaction. In this proposal, we plan to dope topological insulator films in the bulk and/or on the surface with f-electron elements U/Ce as dopants by molecular beam epitaxy. By using the state-of-art angle resolved photoemission spectroscopy, X-ray spectroscopy and scanning tunnelling microscopy techniques, we are going to probe the electronic structures of U/Ce doped topological insulators. With the aid of first principles calculations, we aim to understand the mechanism of the interactions between f-electron elements and topological insulators.

利用非磁性或者磁性杂质元素对拓扑绝缘体掺杂具有非常重要的研究价值。非磁性杂质掺杂可以研究拓扑绝缘体表面态的拓扑稳定性；更重要的是，磁性掺杂拓扑绝缘体中具有更多新奇的物理现象，其中最为有名的是量子反常霍尔效应的实现。我们注意到，磁性掺杂拓扑绝缘体研究主要集中在d电子过渡金属元素掺杂，而缺乏关于具有局域磁矩的f电子元素，尤其是5f电子元素与拓扑绝缘体之间相互作用的研究。本申请项目拟利用分子束外延生长技术，制备f电子元素铀和铈体掺杂/表面掺杂的拓扑绝缘体单晶薄膜，利用角分辨光电子能谱、X射线光电子能谱、扫描隧道显微镜等表面分析手段，研究铀/铈掺杂拓扑绝缘体的电子结构，并结合第一性原理计算，研究f电子元素与拓扑绝缘体相互作用机制。

利用非磁性或者磁性杂质元素对拓扑绝缘体掺杂具有非常重要的研究价值。非磁性杂质掺杂可以研究拓扑绝缘体表面态的拓扑稳定性；更重要的是，磁性掺杂拓扑绝缘体中具有更多新奇的物理现象，其中最为有名的是量子反常霍尔效应的实现。我们注意到，磁性掺杂拓扑绝缘体研究主要集中在d电子过渡金属元素掺杂，而缺乏关于具有局域磁矩的f电子元素，尤其是5f电子元素与拓扑绝缘体之间相互作用的研究。本项目中，我们利用分子束外延生长技术，制备了拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜，研究了其不同截止面的表面态，并利用金属La/Ce对其进行了表面掺杂，还制备了金属铀掺杂的Bi2Se3单晶体材料，并利用角分辨光电子能谱和扫描隧道显维镜对其电子结构进行了研究。我们还进行了La/Ce/U原子与Bi2Te3中的Bi原子1:1替换之后的XBiTe3体系的理论计算研究。研究结果表明：（1）拓扑绝缘体不同截止面可以有效调控其表面态构型；（2）Ce和La掺杂能够有效的改变拓扑绝缘体Bi2Te3的电子结构性质；（3）U掺杂所产生的缺陷位于解离面之下，此项目研究中的一定量的U掺杂似乎不会引起拓扑绝缘体Bi2Se3能带结构变化或者表面态拓扑性质的变化；（4）LaBiTe3体系表面态计算结果与实验结果吻合。而Ce/U元素体系的计算需要考虑使用DFT结合动力学平均场（DMFT）的方法来更精细的描述Ce和U掺杂拓扑绝缘体Bi2Te3体系的电子结构性质。通过本项目的实施，深入认识了非自然截止面对拓扑表面态的调控作用；获得了4f电子体系Ce/La元素与拓扑绝缘体表面态相互作用行为；实现了5f电子金属铀对拓扑绝缘体的体掺杂；提出了La/Ce/U元素1:1掺杂A2B3型拓扑绝缘体的理论模型，为探索新型f电子拓扑绝缘体材料打下了基础。