拓扑绝缘体/Si异质结能带调控与器件应用基础研究

The heterostructures of topological insulators (TIs) and other materila systems have attrated many attentions. It's widely acknowledged that the coupling between Dirac fermions and other quantum states would lead to other new quantum particles fromation, which may serve as carriers for novel quantum devices.In order to effectively explore the Dirac fermions bounded at heterointerfaces and the energy-state-hybridization phenomenon between Dirac fermions and other qunatum particles, a comprehensive study will be carried out in this project. We'll try to explore the epitaxial growth of low-dimentional TIs on functional-materials modified Si surfaces, research the electronic transport behaviors of TI/Si heterostructures, and fabricate infrared/THz detectors based on TI/Si heterojunction. The following issues will be paid special attentions: 1. The manipulation of superconductivity, mangetism, and Fermi levels on Si surfaces. 2. Heteroepitaxy and Fermi level tuning of TIs materials. 3. Manipulation and characterization of energy bands/states at the TI/Si interfaces. 4. The infrared detector performance of TI/Si heterostructures.Ultra-high vacuum compatible techniques such as molecular beam expitaxy and scanning probe microscopy will be employed during the research which will facilitate precisely characterizing and manipulating the surface structures and local electronic states. It's expected that the correlations between structural morphologies, electronic states, and physical properties of the TI/Si system can be clearly clarified. New photovaltaic/optoelectric devices based on TI/Si heterojunctions can be developped by the end of this project.

拓扑绝缘体（TI）的实验研究已经进入到将TI和其他体系相结合的阶段，如果能有效调制狄拉克费米子与其它量子态的耦合行为，将有望发展出新奇的量子功能器件。本项目将通过修饰Si表面，构筑具备磁性、超导性或者化学惰性的外延模板，并在其上生长具有不同维度与化学势特征的TI材料，以期实现界面狄拉克能带调控目的，挖TI/Si异质结构在光电探测领域的应用潜力。研究内容包括：Si表面结构的原子级精确调控；TI体系的外延制备；TI/Si异质结能带表征与调控；TI/Si异质结器件的光电应用。项目将综合应用分子束外延技术、超高真空扫描探针显微镜等方法系统探索狄拉克异质体系的量子态及调控，研究结果能揭示出TI/Si体系形貌、电子态结构和物理性能之间的一一对应关系，并有望制备出基于TI/Si异质结的光伏/光电器件。

拓扑绝缘体（TI）的实验研究已经进入到将TI和其他体系相结合的阶段，如果能有效调制狄拉克费米子与其它量子态的耦合行为，将有望发展出新奇的量子功能器件。本项目期望将TI 材料及其量子结构集成于具有特定磁、电物性的Si 衬底表面，通过精确调控Si 表面物性，并辅以适当外场条件，实现对狄拉克费米子的直接探测和调控并探索TI/Si 功能性异质结中可能出现的新物理现象；研究TI/Si 异质结在红外光电探测方面的可行性；力争在TI 原型器件构建等方面取得一系列具有深远影响的自主知识产权成果，形成有特色的研究体系。现已完成了项目计划书中的主要研究任务并进行了部分拓展工作。取得的成果包括：实现了在Si 衬底上有效集成TI 的目标，进一步地实现在高指数Si 衬底上TI 高指数单晶薄膜的外延生长，为利用各向异性调控拓扑狄拉克能带打下良好基础；对TI 薄膜进行了掺杂调控，获得了重要掺杂剂与Bi2Se3 进行合金生长的生长相图，并表征了拓扑绝缘体合金的输运性质；发明了生长制备TI 的PVD 技术，有望提高TI 制备的效率和经济性；综合了研究了TI 超晶格的生长以及热电物性，展示了低维结构中超晶格物性的可调性和增强的热电性能；利用TI/Si 异质结实现了高速近红外探测，并开发了相关的器件刻蚀、加工工艺，有望获得一定实际应用；拓展研究了一维核/壳结构的生长与性质，相关工艺有望直接用于TI 一维异质结构的研究。