二维铋的外延生长和拓扑性质的研究

As a heavy element, Bismuth has relatively strong spin-orbital coupling and has been used in three dimensional topological insulators. Theoretically, bismuthene, where bismuth atoms are arranged in a two dimensional (2D) hexagonal lattice, similar to graphene, is a novel quantum spin hall insulator. Our recent research revealed that atomic thin bismuth film in a 2D Honeycomb-Kagome (H&K) lattice is a novel topological matter. For convenience, it is classified into bismuthene. In this project, we will focus on the epitaxial growth and topological properties of bismuthene in an H&K lattice or in a planar hexagonal lattice. At first, we will realize the epitaxial growth of large-area and high-quality bismuthene on different types of substrates through molecular beam epitaxy. Then, in situ characterization methods like STM, PEEM, LEED will be carried out to investigate the growth behaviors and lattice parameters of bismuthene. The corresponding topological properties will be studied using STS, ARPES, TR-2PPE in both real space and momentum space. Interesting problems like whether bismuthene in an H&K lattice is a topological insulator or a topological semimetal and what the mechanism for the band inversion is will be studied. Last, we will research how to manipulate the topological properties of bismuthene, for example, through doping of foreign atoms and molecules or surface charge transfer. We hope this project will help to give a possible research way through the gate of research filed of bismuthene.

重元素铋具有很强的自旋轨道耦合,常被用到三维拓扑绝缘体中。理论预测，具有类石墨烯结构的二维铋（铋烯）是一种新型的量子自旋霍尔绝缘体，因而成为当今学术界关注的一个热点。我们最近的研究表明同时具有Honeycomb & Kagome(H&K)超结构二维铋是一种新的拓扑材料(暂时将它归入铋烯)。在本项目中，我们将主要研究具有H&K超结构和平面六方结构的铋烯，拟利用MBE在选定的基底上实现高质量大面积的不同晶格结构的铋烯的制备，利用STM、PEEM、LEED等表面分析技术原位研究其生长行为和晶格结构，利用STS、ARPES、TR-2PPE等技术在实空间和动量空间深入研究其拓扑性质等，重点研究H&K超结构铋烯是拓扑绝缘体还是拓扑半金属并揭示其背后的能带反转机制。最后，利用掺杂、表面电荷转移等手段调控铋烯拓扑态等。我们期望通过本项目的研究，可以为铋烯这一新型拓扑材料的发展提供深入的研究途径和

重元素铋具有很强的自旋轨道耦合，常被用到三维拓扑绝缘体中。理论预测，具有类石墨烯结构的二维铋（铋烯）是一种新型的量子自旋霍尔绝缘体，因而成为当今学术界关注的一个热点。我们的研究结果表明同时具有蜂窝和笼目(H&K)超结构的二维铋是一种新的拓扑材料。在本项目中，我们主要利用STM、STS和ARPES以及DFT继续研究了具有H&K超结构的二维铋的原子尺度生长行为、晶格结构和电子结构，然而受三年新冠疫情影响，研究计划严重受阻，研究进展远远落后于计划。在项目执行的初期，我们满怀信心地在德国凯泽斯劳滕大学、新加坡国立大学以及国内上海光源开展广泛合作，对Au（111）上H&K结构的单层Bi开展了一些列的测试，包括基于PEEM-ARPES的三维能带结构测试、基于液氦下STM/AFM的原子结构和电子结构的测试，但是实验结果比预期的要复杂，和多个理论组合作还是没能解释清楚背后的物理。由于合作完全中断，在项目的资助下，我们主要开展了以下研究：（1）贵金属表面Bi的生长行为的STM研究，揭示了Au和Ag上Bi生长行为的差异，并总结出了Au（111）上Bi生长的相图；用Bi调控Au（111）表面石墨烯纳米带的合成和性质，但是没能实现Bi的原位卤化；Bi（110）和Bi（111）薄膜中声子行为的对比，Bi对Au（111）表面电子态的调控；（2）利用变温拉曼和偏振拉曼散射光谱系统地研究了黑砷纳米片中的声子非谐性和偏振特性，构筑并研究了多种基于PbI2和MoS2的vdW异质结中声子和激子的温度依赖关系，研究了量子材料Bi2Rh2Se3和PdTe2中的电声子相互作用，揭示了Bi2Rh2Se3中的一种新的电荷密度波相变，研究了过渡金属氧化物和硫族化合物异质结界面调控等。在项目的支持下，培养出博士生1名，硕士生7名；在读博士生2人，硕士生4人；在APL、JPCL、Carbon、Nano research等期刊杂志上发表SCI论文23篇，授权中国发明专利5项；完成课题组自旋分辨光电子能谱VLEED探测器和变温样品台升级，扫描隧道显微镜扫描头升级等，为课题组的下一步稳定发展奠定基础。在项目支持下取得这些科研成果对理解新型量子材料的制备和其中的新奇电子结构、理解准粒子间的相互作用等有重要的意义，也为培养学生积累丰富的经验。