拓扑外尔半金属薄膜材料的制备及其表面量子特性的研究

Three dimensional topological Weyl semimetal is a new kind of topological matter which represent a new state of quantum matter recently proposed with unusual electronic structures that resemble both a `3D graphene' and a topological insulator. The unusual bulk and surface electronic structure of 3D TWSs can give rise to many exotic phenomena, such as negative magnetoresistance, chiral magnetic effects, the quantum anomalous Hall effect, novel quantum oscillations (in magneto-transport) and quantum interference (in tunnelling spectroscopy). In additional, appealing transport properties have also been discovered in some 3D TWS candidates, such as the ultra-high carrier mobility and extremely large magnetoresistance. From now on, the topological Weyl semimetal materials are all bulk materials fabricated by chemical vapour transport. There is no report focusing on the growth of the thin films of such materials. Moreover, scanning tunneling microscope experiments has not been systematically carried out yet. In this project, we plan to start from the growth of the three dimensional topological Weyl semimetal thin films, and we will investigate the dynamics during the growing process and finally obtain thin films with high quality. On the one hand, we can study not only the quantum phenomenon and the quantum confinements in the thin films, but the quantum phase transition resulted by the effect coming from the substrate such as charge transfer effect and strain effect. On the other hand, we will find the way to protect the surface of thin films for more ex-situ measurements.

三维拓扑外尔半金属材料是近期发现的一种新的量子材料，其电子性质方面被认为是“三维石墨烯”和拓扑绝缘体的组合，新奇的能带结构赋予了该材料诸多新奇的量子现象或效应，如负磁阻、手性磁效应、新的量子振荡和量子干涉效应以及极高的电子迁移率和极大的磁阻等。迄今为止，所有实验研究所使用拓扑外尔半金属单晶材料都是利用化学气相传输法制备的，尚无此材料薄膜生长的相关工作报道。另外，目前利用扫描隧道显微镜对该材料体系进行系统地研究的工作也很少。本项目的研究计划从拓扑外尔半金属材料材料的薄膜生长方面入手，研究其制备工艺和生长动力学，制备出较高质量的薄膜材料，一方面通过扫描隧道显微镜对薄膜进行原位表征，探究其中的量子现象，研究薄膜的量子限域效应及其产生的量子相变， 并研究衬底对于外延薄膜量子性质的影响。另一方面，研究对薄膜表面进行保护和真空外转移的方法，以便于其他非原位实验方法对于薄膜全面物理性质的进一步表征。

研究拓扑外尔半金属材料体系的新奇物理性质是近年来凝聚态物理学领域的热点，这归因于该拓扑材料体系中存在着由于时间或空间反演对称性破缺所产生的外尔点及其连接外尔点的费米弧。本课题利用结合分子束外延薄膜生长和极低温扫描隧道显微镜原位表征，对多种拓扑外尔半金属材料的薄膜生长、转移和拓扑物理性质开展了系统研究，对多种新型拓扑材料和可用于生长外尔半金属薄膜的特殊衬底材料进行了探索。本课题的主要研究成果有：（1）在不同衬底上，成功制备出了高质量的拓扑外尔半金属薄膜，并利用扫描隧道显微镜研究了不同衬底尤其是超导衬底对于薄膜物理性质尤其是拓扑性质的影响，研究了拓扑外尔半金属薄膜上的超导近邻效应，还发现了由于衬底不同而产生的电荷转移现象的异同。（2）利用极低温扫描隧道显微镜，研究了多种拓扑外尔半金属体材料解理样品的表面形貌和电子行为，并通过表面微分电导谱线揭示了这些材料的拓扑学本质。（3）分别利用非原位方法在薄膜表面蒸镀保护层再退火的方法和利用超高真空样品转移手提箱的方法，对制备的高质量拓扑外尔半金属薄膜的转移进行了研究。结果证明利用上述两种方案均可实现薄膜的转移过程，这对于制备的高质量薄膜的后续多样性测量至关重要。（4）对课题还针对有可能用于外延生长高质量拓扑外尔半金属材料的衬底材料进行了诸多探索，例如研究了FeS超导基态衬底，和具有50%表面Se缺陷的Bi2O2Se材料等，这些材料的研究扩展了可用于生长拓扑外尔半金属材料的衬底体系，利用特殊性质（如超导、磁性）或特殊表面结构的衬底生长外延薄膜，将产生更多新的量子现象，是具有极高研究价值的新体系。