拓扑绝缘体低维狄拉克材料的电子结构调控及光电探测性质研究

拓扑绝缘体是一类由自旋轨道耦合导致的量子物态，具有很多新奇的量子效应和电磁特性，在未来低能耗器件、自旋电子学和量子计算等领域具有广阔的研究和应用前景。能否制备出高质量拓扑绝缘体材料，是深入研究这种新的量子态和器件的最关键问题。目前大部分用于实验研究的单晶样品，具有很大的缺陷密度并被严重掺杂，掩盖了表面态和狄拉克费米子的新奇物性，难以制备低维功能结构和光电器件。本项目研究旨在通过分子束外延方法制备低缺陷和少掺杂的拓扑绝缘体低维材料，研究微观尺度上成核、界面控制及其生长动力学规律，有效调控拓扑绝缘体的电子能带结构，在此基础上探测其表面态的光吸收和光电导效应。其特色和创新之处在于发展和完善高质量拓扑绝缘体低维材料的可控制备技术，提出一种通过精确改变拓扑绝缘体生长动力学条件实现其电子结构调控的方法，开展拓扑绝缘体低维材料的光电探测实验研究，对于探索拓扑绝缘体的光电特性调控和器件应用具有重要的意义。

拓扑绝缘体是一类由自旋轨道耦合导致的量子物态，具有很多新奇的量子效应和电磁特性，在未来低能耗器件、自旋电子学和量子计算等领域具有广阔的研究和应用前景。能否制备出高质量拓扑绝缘体材料，是深入研究这种新的量子态和器件的最关键问题。目前大部分用于实验研究的烧结样品，具有很大的缺陷密度并被严重掺杂，掩盖了表面态和狄拉克费米子的新奇物性，难以实现低维功能结构和器件应用。本项目围绕拓扑绝缘体、石墨烯等低维狄拉克材料的可控制备、电子结构调控及光电性质开展研究，主要通过分子束外延等方法制备低缺陷、少掺杂的高质量单晶，研究生长动力学规律，有效调控电子能带结构，探索其表面态的光学特性和纳米器件的光电相互作用。在本项目支持下，研究工作顺利开展，取得的创新成果主要包括以下几个方面：1. 在低维狄拉克材料的可控制备方面，我们在前期研究的基础上发展和完善不同衬底上高质量拓扑绝缘体薄膜的分子束外延技术，确立了生长动力学条件；通过化学气相沉积方法控制气体流速和压强分布减少晶体形核中心，成功合成Sb2Te3纳米薄片和毫米尺寸的石墨烯单晶；开发聚焦双束系统的电子束曝光和辅助沉积功能，实现原位构建和测试低维纳米功能结构和电子器件的方法。2. 在电子结构调控方面，我们通过调节束流的通量和衬底温度，实现了对晶体结构中的缺陷种类和浓度的控制，可以直接得到n型、p型或本征的拓扑绝缘体薄膜；证明拓扑表面态稳定存在且不受非磁性杂质影响的鲁棒特性；发现独特的表面电势和电荷分布，以及表面声子振动模式峰半高宽展宽和相对强度增加，可能来源于量子尺寸限制效应和对称性破缺。3. 在光电探测性质方面，我们利用Z扫描技术发现石墨烯的非线性效应与层间相互作用和耦合强度有关；搭建扫描近场光学显微镜和综合光电测量系统，测量局域光电子相互作用，获得表面/界面的微区光电流分布图像，探索新型光电探测器件的构建、性能测试和精确调控；观察到石墨烯场效应晶体管中电流诱导的掺杂现象，可能来源于石墨烯/金属电极之间的非对称接触势垒；高场下石墨烯的热电子发射导致晶体管中电流自增益效应。在本项目资助下，共发表学术论文15篇（SCI收录14篇，专著综述1章），参加学术会议报告6次（国际会议2次，国内会议4次），主办学术研讨会议2次，申请发明专利4项，培养研究生5名。研究成果将为实现有效制备高质量拓扑绝缘体等低维狄拉克材料及其异质结和量子效应器件应用奠定基础。