自旋极化量子薄膜表面的Rashba效应的研究

Rashba效应可以在一个非磁性材料中产生自旋极化电子，并影响电子的自旋相关输运性质,在自旋电子学的许多领域起着至关重要的作用。在具有自旋极化量子阱态的量子薄膜中，可以通过改变薄膜的厚度和衬底磁化方向调控其电子的能带结构和自旋结构。在本项目中，我们将致力于实现同时具有Rashba自旋劈裂表面态和自旋极化量子阱态的复合量子薄膜系统，探索两者的共同作用和相互间的耦合所可能导致的新奇的电子结构和物理现象。我们将运用角分辨光电子能谱、扫描隧道显微术等手段系统地研究此类系统的能带和自旋结构随衬底磁化状态、薄膜厚度、表面成分等参数的变化，特别是希望能观测到理论所预言的可由衬底磁化所控制的能带及费米表面空间反演对称性的破坏。此项研究一方面会推动凝聚态物理和自旋电子学基础研究的发展，另一方面也可以为新型自旋电子材料和器件的开发提供思路。

拓扑绝缘体和Rashba系统类似，都具有自旋轨道耦合和空间反演对称性破缺导致的在动量空间自旋极化的表面态。然而拓扑绝缘体的表面态无能隙且被体能带的拓扑性质所保护，因此更加有利于对于自旋相关性质研究和在自旋电子学中的应用。在本项目中，我们研究了Bi2Se3族三维拓扑绝缘体量子薄膜的分子束外延生长、电子能带和自旋结构、输运性质，并探索了磁性掺杂对其性质的影响，取得的主要成果如下：（1）实现了Bi2Se3薄膜的逐层生长，通过对不同层厚薄膜系统的角分辨光电子能谱研究首次发现了三维拓扑绝缘体无能隙表面态在维度降低时的能隙打开现象，观测到由于上下表面化学势不同导致的表面态Rashba型劈裂;（2）制备出三元三维拓扑绝缘体(Bi,Sb)2Te3的外延薄膜，实现了对三维拓扑绝缘体载流子类型、浓度和能带结构的调控；（3）观测到了磁性元素Cr掺杂导致的Bi2Se3薄膜表面态能隙的打开和磁电阻由反弱局域化到弱局域化行为的转变。以上研究揭示出拓扑绝缘体量子薄膜中量子尺寸效应对拓扑表面态能带和自旋结构的影响，提供了调制拓扑绝缘体电子结构和性质的方法，为低维强自旋轨道耦合系统在自旋电子器件中的应用打下了基础。