二维铋/传统半导体或绝缘体异质结的量子自旋霍尔效应及其可控量子输运特性的应用基础研究

Topological insulator(TI) is one of the most active research fields in materials science. It has many unique properties, e.g., edge states in 2D TI (Quantum Spin Hall insulator) are protected by the time-reversal symmetry without backscattering from non-magnetic defect. However, there are many problems of applications based on such materials. This project mostly focus on heterostructure between two-dimensional quantum spin hall insulator (Bi) and conventional semiconductor or insulator. We will study the fabrication processes, electronic structures and topological properties of such heterostructure as well as the correlation between them. The effect of coupling between Bi film and substrate on topological edge states will be also investigated. Meanwhile, we will study the mechanism to control or tune the topological properties of such 2D systems by external field (e.g., electric field), in order to control electronic transport of devices. It is our goal to fabricate device with Quantum Spin Hall Effect based on current industry process, which can work at room temperature.

拓扑绝缘体材料是目前新材料研究中最为活跃的领域之一，它具有很多其他材料不具有的特性，特别是二维拓扑绝缘体（量子自旋霍尔绝缘体）的拓扑边缘态完全不受非磁性杂质散射，但基于该类材料的器件制备和控制还有很多问题需要解决。本课题将围绕二维量子自旋霍尔绝缘体材料铋和传统半导体或绝缘体形成的异质结构展开。 主要研究传统半导体和铋形成的各种异质结构及其形成过程， 铋二维体系带隙、拓扑性和各种异质结构的关联性，界面能带弯曲和铋二维体系能带拓扑性的关系，以及它们之间的耦合作用对拓扑边缘态的影响。同时研究如何通过实验上常用的外场有效控制铋二维体系拓扑边缘态的存在和消失，进而控制电子通道导通和关闭，特别是和工业上常用的半导体或绝缘体衬底形成异质结后如何有效的控制这种拓扑转变。 利用二维铋材料设计出具有较宽带隙可在常温工作的量子自旋霍尔效应器件，为利用现有工业制备工艺制备出新型量子器件提供基础。

铋作为原子序数最大的非辐射性元素具有很大的自旋轨道耦合效应，但铋单质的体相结构并不具有拓扑性，这和此类体系中轨道能级位置，结构对称性等密切相关。 本项目主要研究了皱褶结构和六方结构铋的拓扑性质，以及和衬底的相互作用，发现其不仅存在拓扑性，还可以和超导共存，并被实验证实。同时，在褶皱结构的铋中还可以同时存在铁电性和反铁电性，这是首次在单质二维体系中发现这一现象， 这为控制铋的拓扑性提供了很好的思路。.由于这一领域的快速发展， 我们的研究还扩展到了铋同族的其他五族材料，以及相邻的二维四族和六族材料， 在潜在的二维拓扑体系中也发现和可控铁电效应，进一步， 我们发现在传统硅表面也存在自发可控电极化，使得在传统硅表面集成可控低维拓扑体系并利用常规外场手段控制低维拓扑性成为可能。同时，我们发现了一类新型二维材料（双碱金属单硫族化合物）不仅具有拓扑性质， 而且可以在一系列拓扑性质之间很方便的进行调控。项目取得了一定成果，共发表SCI论文12篇， 其中IF>10的6篇，中科院1区10篇。申请发明专利2项，其中一项已授权。受邀为Chinese Physics B (CPB) "Topological 2D materials"专题撰写综述。