二维锡烯薄膜的实验研究

Using molecular beam epitaxy technique, this project plans to study the growth of high-quality two dimensional stanene films with similar crystal structure as graphene on suitable substrate (such as Bi2Te3(111)). The electronic and atomic structures of the epitaxial stanene films will be studied by angle-resolved photoemission spectroscopy and scanning tunneling microscopy. We try to determine the mostly stable atomic structures of epitaxial stanene and its corresponding band structures. Furthermore, we plan to modify its electronic structures by changing the lattice constant and surface adsorption. The topological properties of epitaxial stanene films will be explored by combining low temperature scanning tunneling spectroscopy in real space and band structures measurements in momentum space. We also plan to study its basic electric transport properties using in situ and ex situ methods.

利用分子束外延技术，本项目计划研究如何在合适的单晶基底上（以Bi2Te3(111)为代表）实现高质量的基于灰锡（金刚石结构锡）的类石墨烯结构二维锡烯薄膜生长。通过角分辨光电子能谱和扫描隧道显微镜研究外延锡烯薄膜的电子结构和原子结构，最终确定其稳定的晶体结构和能带结构。并进一步通过调节晶格常数和表面吸附的方法，实现对外延锡烯薄膜电子结构的调控。利用实空间低温扫描隧道谱结合动量空间能带结构测量研究外延锡烯薄膜的拓扑特性及其变化。对外延锡烯薄膜开展原位和非原位基本电输运性质研究。

类石墨烯结构的锡烯薄膜是一种二维拓扑绝缘体，如何在合适的基底上外延出能够适合电子输运研究的锡烯以及其他类似的二维拓扑材料是重要的科学问题。本项目针对这个科学问题，利用分子束外延以及体单晶生长的方法，对合适锡烯等二维拓扑材料生长的基底材料开展了深入的研究，同时也对相关的二维拓扑材料进行了电子态的研究。经过努力，本项目取得了如下进展：1）利用元素In对适合锡烯生长的拓扑绝缘体材料Bi2Te3进行了拓扑相变的研究，实验上实现了将Bi2Te3从拓扑绝缘体变成了普通的绝缘体，消除了拓扑表面态对锡烯电子态影响的可能性；实现了理论建议的最合适锡烯薄膜生长的氯化钠结构SrTe(111)薄膜的外延生长，理解了其生长模式和生长动力学；在超导基底上制备出了二维拓扑绝缘体铋薄膜，并观察到了一维边缘态和超导态共存；在单层FeSe薄膜中发现反铁磁长程序，支持其成为一种二维拓扑超导体。通过上述一系列工作，促进了对二维拓扑绝缘体以及超导体的研究发展。本项目共发表论文20篇，成果发表于Phys. Rev. Lett.、Phys. Rev. B、Appl. Rev. Lett.、Nano Lett.、Chin. Phys. B等杂志。