三维拓扑绝缘体表面态电输运探测与操控研究

拓扑绝缘体是一类由自旋-轨道耦合效应导致的新奇量子物质态，其体电子态是有能隙的绝缘体，而其表面态则是受时间反演对称性保护自旋分辨的金属态,提供了无耗散自旋输运的全电控制的途径。本项目旨在基于高质量三维强拓扑绝缘体（Bi2Se3, Bi2Te3和Sb2Te3）及拓扑绝缘体/(非)拓扑绝缘体轴向和径向异质结准一维纳米结构的可控制备，通过增加面容比、降低由杂质和缺陷引起的体载流子浓度、背栅电压和形成体电子态的PN结等，削弱体电子态、加强表面态对拓扑绝缘体输运性质的影响，从而使得通过电输运探测、调控拓扑绝缘体表面态/界面态成为可能。在此基础上探索自旋-轨道耦合效应导致的新奇量子物质态中的新现象、新效应，从而实现自旋单量子态的测控，构筑低能耗自旋量子器件模型。

在基金资助下，按拟定研究计划我们系统研究了化学气相沉积过程中Bi2Te3、Bi2Se3和SmB6等三维拓扑绝缘体准一维纳米结构的生长机理，通过控制宏观实验条件，实现其形貌和微结构可控制制备，获得单分散性好、结晶度高和杂质缺陷少的高质量可用于电输运研究的Bi2Te3、Bi2Se3和SmB6等三维拓扑绝缘体纳米线和纳米带等准一维纳米结构。通过电子束直写技术和金属剥离技术构筑基于单根拓扑绝缘体纳米线的场效应管结构的电子学器件，在低温下剔除体相电子态对电导贡献的情况下，系统研究了其金属表面态的电输运性能。与此同时，我们还通过理论计算研究了三维拓扑绝缘体表面受门电压调控准一维T型通道中电子自旋极化的空间分布情况。另外，结合国际发展前沿和最新动态，项目组还系统研究金属氧化物一维纳米结构中的电子离子耦合输运和自束缚态导致忆阻性能，获得了基于单根金属氧化物纳米线的两端阻变存贮器、方向可调的整流器、忆阻器以及室温下工作的气体传感器等器件原型。