拓扑绝缘体纳米材料的制备、显微结构及输运性能的研究

拓扑绝缘体为近几年发现的一种新的材料体系，由于其具有非常奇异的物理性能和广泛的应用前景，日前已成为国内外物理，材料，化学等领域科学家聚焦的热点。国际上关于拓扑绝缘体块体、外延薄膜相关的实验工作开展已有4余年，但对拓扑绝缘纳米材料的研究还刚刚起步，本项目契合此领域国际发展的趋势，拟利用先进的透射电镜技术对拓扑绝缘纳米材料的生长，掺杂，显微结构及性能进行系统的研究。本项目的成功将会极大的推进拓扑绝缘体实验工作的进展并为拓扑绝缘材料将来在自旋电子器件和量子计算机中的可能应用打下坚实的实验基础。更重要的是，通过本项目获得的高性能拓扑绝缘体材料可以作为一个独特的载体去创造和研究那些在自然界中尚未观察到但对科学发展非常重要的新型粒子，对人们了解自然，探索宇宙有着重大的意义。

拓扑绝缘体为近几年发现的一种新的材料体系，由于其具有非常奇异的物理性能和广泛的应用前景，日前已成为国内外物理，材料，化学等领域科学家聚焦的热点。本项目契合此领域国际发展的趋势，主要通过溶剂热、化学气相沉积和分子束外延方法制备Bi2Te3、Bi2Se3以及Sb2Te3等二元、掺杂三维拓扑绝缘体纳米材料，利用先进的电子显微学技术与方法对拓扑绝缘纳米材料的生长，显微结构及性能进行系统研究，为拓扑绝缘体成分、结构对性能的调控提供强有力的实验依据。主要工作与成果如下：.（1）通过对溶剂热及化学气相沉积方法生长条件的调控，我们成功制备出无衬底、平行/垂直衬底的Bi2Te3/Bi2Se3纳米结构的生长，并确定其表面为动力学因素导致的(015)/(01-4)相关晶面。.（2）通过Na、Se、Sb、Te等元素的掺杂调控Bi2Te3/Bi2Se3体态载流子浓度，实现了n型/p型的转变；并通过调节背栅极电压实现对掺杂Bi2Te3体系费米能级的调控。.（3）发展了一种联用电子背散射衍射与聚焦离子束加工仪的方法，成功制备出具有特定取向的透射电镜样品，利用ChemiSTEM球差透射电镜实现了Bi2Te3等三维拓扑绝缘体的原子级别元素分析。.（4）原子级别的元素分析揭示了在Bi2Te3体内被忽略的7层缺陷，并证实其堆垛顺序为Te-Bi-Te-Bi-Te-Bi-Te；对于三元体系Bi2SexTe3-x (x=1, 2)体系中，中间层取代原则只适用于Bi2SeTe2。.（5）在Cr、Fe等磁性元素的掺杂Bi2Te3/Bi2Se3拓扑绝缘体材料体系引入额外磁学性质，并实现了表面对磁性的调控；显微研究证明，在这些体系中主要存在Sb-on-Bi，Cr-on-Bi，Fe-on-Bi缺陷。.本工作对拓扑绝缘体纳米材料的本征缺陷及元素掺杂引入缺陷的研究可为拓扑绝缘体纳米材料体内载流子状态、拓扑性能的调控提供更为直观的证据；极大的推进拓扑绝缘体实验工作的进展并为拓扑绝缘材料将来在自旋电子器件和量子计算机中的可能应用打下坚实的实验基础。