基于拓扑绝缘体的复合热电材料的输运性质研究

Topological insulator (TI) is a major breakthrough in condensed matter physics in recent years. Its discovery fundamentally changed our perspective about the electronic structure of solid state materials. Interestingly, the most commonly studied TIs exemplified by Bi2Se3 are among the best room temperature thermoelectric materials, therefore are highly promising in this clean, environmentally friendly form of solid state energy device. Through the extensive studies in the past few years, our understanding and control of the electronic structure of these materials and the growth of high quality samples have reached an unprecedented level. Based on these progresses, in this project we plan to investigate the transport properties of TI-based composite thermoelectric materials in a systematic manner. We aim to find better thermoelectric materials with higher figure of merit by studying and controlling the structure and electronic states of TI-based composite materials. We will carry out the investigations on both thin films and single crystals of TIs simultaneously. The possible approaches include the use of the topological protection and coupling of the surface states, the engineering of the bulk band structure and its topological properties, the fabrication of TI-based heterostructures, and the modification of the band structure by magnetic dopings. We hope to clarify the effects of these factors on the thermoelectric properties of the TIs, and provide valuable clues for finding better composite thermoelectric materials.

拓扑绝缘体是近年来凝聚态物理领域的重要进展，其出现从根本上改变了人们对固体材料电子结构的认识。有趣的是，以Bi2Se3为代表的拓扑绝缘体材料恰好是最佳的室温热电材料，在这一洁净、环保的固体能源器件应用方面有着广阔的前景。通过过去几年的深入研究，人们在这些材料的电子结构研究、高质量样品的生长和表征方面都达到了前所未有的高度。本项目主要是在此基础上，对基于拓扑绝缘体的复合热电材料的输运性质进行系统的实验研究。我们计划通过对拓扑绝缘体复合材料的结构和电子态的调制而寻找具有最佳热电优值的热电材料。我们的研究将在拓扑绝缘体薄膜材料和体单晶材料中同时进行，计划采取的手段包括利用表面态的拓扑保护性及其耦合、体能带结构及其拓扑特性的调制、基于拓扑绝缘体的异质结体系、磁性杂质掺杂对能带的改变等。我们希望揭示这些因素对拓扑绝缘体热电性质的影响，为寻找具有更好应用前景的复合热电材料提供有价值的线索。

拓扑绝缘体是近年来凝聚态物理领域的重要进展，其出现从根本上改变了人们对固体材料电子结构的认识。有趣的是，以 Bi2Se3 为代表的拓扑绝缘体材料恰好是最佳的室温热电材料，在这一洁净、环保的固体能源器件应用方面有着广阔的前景。通过过去几年的深入研究，人们在这些材料的电子结构研究、高质量样品的生长和表征方面都达到了前所未有的高度。理解拓扑绝缘体的热电性质并对其进行精密调控将为寻找更好的热电材料指明方向。在此研究项目中，我们对分子束外延生长的拓扑绝缘体异质结构的电磁和热电输运性质进行了系统的研究，并利用表面态的拓扑保护性及其耦合、体能带结构及其拓扑特性的调制、基于拓扑绝缘体的异质结体系、磁性杂质掺杂对能带的改变等对其电子结构和输运性质进行精密调控。我们通过改变材料的能带结构，发现体载流子和表面电子态对热电性质共同起作用，而随薄膜层厚的变化结果表明狄拉克型的表面电子态本身对材料热电性质的影响是较为负面的。此外，我们发现在磁性拓扑绝缘体中，外加栅极电压对体系的磁有序性有明显的调制作用，而其来源有两种截然不同的机制，一种是巡游载流子的RKKY机制，另一种是体能带结构拓扑相变导致的van Vleck机制。我们还研究了与热电性质紧密相关的热磁输运现象-反常能斯特效应，并发现了意外的随栅极电压的符号反转。结合理论计算，我们的实验结果揭示了拓扑绝缘体的电磁和热电输运性质变化规律，为寻找具有更好应用前景的复合热电材料提供有价值的线索。