拓扑量子薄膜的分子束外延生长与能带调控

The topological quantum materials have emerged many novel physical properties, such as ultra-high carrier mobility and spin polarization, the quantum anomalous Hall effect, chiral magnetic effects, which have enormous potential for the developments of spintronics and quantum information science in the future. Among the numerous candidates, Te-based topological materials with strong spin-orbital coupling interaction have play an important role in this field. However, till now, the difficulties to fabricate this series of compounds have districted the observation of topological quantum phenomena and exploration of novel physical mechanisms. Here we propose to take advantage of the van der Waals growth mode of molecular beam epitaxy technology and study the growth process of two key Te-based topological insulator and semimetal. On one hand, we will study their electronic structures by angle-resolved photoemission spectroscopy and scanning tunneling microscope; on the other hand, we will conduct the transport measurements to investigate the physical origins of quantum transport properties. Based on the above, we will design and grow hetero-structure and superlattice films, expand the range of topological materials and realize the band tuning. These studies will lay a solid foundation for the fundamental research and quantum information applications of novel topological materials.

拓扑量子材料具有很多新奇的物理性质，比如高电子迁移率和自旋极化率、量子反常霍尔效应、手性磁效应等，在未来自旋电子学和量子信息领域具有重要应用潜力。在众多的候选材料体系中，碲基化合物因其自身极强自旋轨道耦合效应在拓扑量子材料领域占据重要地位。然而到目前为止，由于基于这一体系的高质量薄膜材料难以制备，因此制约了研究人员对相关拓扑量子现象的观测以及新奇物理机理的探索。本项目拟利用分子束外延范德瓦尔斯生长模式的独特优势，研究两类关键碲基拓扑绝缘体和拓扑半金属的生长动力学和制备工艺，一方面利用角分辨光电子能谱和扫描隧道显微镜进行电子结构表征，另一方面进行量子输运性质测量，研究新奇量子现象的物理起源。在此基础上，进行不同拓扑量子材料的异质结/超晶格设计与制备，拓展材料范围，并实现对体系的能带裁剪与调控。这些研究工作将为基于新奇拓扑材料体系的基础研究和量子信息应用打下坚实的基础。

拓扑量子材料具有很多新奇的物理性质，比如高电子迁移率和自旋极化率、量子反常霍尔效应、手性磁效应等，在未来自旋电子学和量子信息领域具有重要应用潜力。在众多的候选材料体系中，碲基化合物因其自身极强自旋轨道耦合效应在拓扑量子材料领域占据重要地位。然而到目前为止，由于基于这一体系的高质量薄膜材料难以制备，因此制约了研究人员对相关拓扑量子现象的观测以及新奇物理机理的探索。本项目利用分子束外延范德瓦尔斯生长模式的独特优势，制备出(BixSb1-x)2Te3/MnTe异质结、[(MnBi2Te4)(MnTe)m]N超晶格，实现了多种拓扑量子碲基异质结及超晶格薄膜的晶圆级别的可控制备。通过调节一系列薄膜厚度、掺杂浓度等参数，对上述材料进行了量子输运性质测量，并系统研究了拓扑绝缘体中非平庸表面态与磁性材料的交换作用，实现对体系的能带裁剪与调控。这些研究工作为基于新奇拓扑材料体系的基础研究和量子信息应用打下坚实的基础。