单个双原子层铋(Bi)薄膜能带结构的界面调控和边缘态研究

Bi plays very important role in the field of topological insulator. Bi has unique properties. Recent theoretical work proposed that single bilayer Bi(111) could be a two-dimensional topological insulator, which requires systematical experimental study on this system. We plan to use molecular beam epitaxy technique to grow high quality single bilayer Bi(111) on topological insulator Bi2Te3 and Bi2Se3 thin films。Our preliminary calculation shows that helical Dirac cone can form in the single bilayer Bi(111) resulting from the enhanced Rashba type spin-orbital coupling due to interface effects. By using high resolution angle-resolved and spin-resolved photoemission spectroscopy, we will study the electronic energy band structures of single bilayer Bi(111) and its dependence of the substrates. The one dimensional edge states in Bi(111) will be also explored by low-temperature scanning tunneling microscopy/spectroscopy. Electronic transportation properties will be studied using in situ four probes measurements.

在现今拓扑绝缘体研究领域，铋元素起到非常关键的作用。铋自身具有奇特的量子力学特性。近期理论计算表明，单个双原子层铋Bi(111)薄膜可能是一种新的二维拓扑绝缘体系统，迫切需要在实验上对此开展系统性研究。我们计划通过分子束外延的方法，在拓扑绝缘体Bi2Te3和Bi2Se3等薄膜基底上外延生长高质量单个双原子层的Bi(111)薄膜。我们前期计算表明，界面效应会大大增强超薄Bi(111)中Rashba自旋轨道耦合，从而在Bi（111）薄膜中产生自旋极化的螺旋型狄拉克圆锥电子结构。我们将采用高分辨率角分辨和自旋分辨光子能谱确定其精细能带结构，并进一步研究其电子结构和基底条件的关系，寻找调节的方法。同时，也将利用低温扫描隧道显微镜和扫描隧道谱研究Bi(111)中可能存在的一维拓扑边缘态。利用原位四探针测量技术Bi(111)的电学性质。

单层Bi(111)薄膜在物理上具有非常有趣的性质。理论计算表明它可能是一种大能隙的二维拓扑绝缘体，同时Bi又具有极大的自旋轨道耦合，通过界面效应破坏单层Bi薄膜上下表面的反演对称性就有可能产生极大的Rashba型能带劈裂，从而人工地产生螺旋型狄拉克圆锥能带结构。本项目针对Bi的上述特性开展研究。主要针对高质量的单层Bi(111)薄膜外延制备、界面效应对电子结构的影响、狄拉克圆锥中电子自旋构型以及一维边缘态等开展研究。经过努力，本项目利用低温分子束外延技术在Bi2Te3和Bi2Se3基底上成功实现了高质量单层Bi(111)薄膜的制备；利用角分辨光电子能谱系统地测量了Bi(111)薄膜的电子结构、自旋结构以及它们和随晶格大小的变化；发现界面耦合效应在Bi(111)薄膜内部产生了三种不同类型的狄拉克圆锥，并在一种杂化型的螺旋型狄拉克圆锥中发现了奇特的电子-电子多体作用；结合第一性原理计算证实单层Bi(111)的确是拓扑非平庸的；在单层Bi（111）和单层Bi2Se3异质薄膜中成功实现了螺旋型狄拉克圆锥电子结构的产生；在Bi2Te3表面成功实现具有和Bi类似结构的单层锡烯薄膜等。通过上述一系列研究推动了低维体系中自旋轨道耦合以及螺旋型狄拉克圆锥型电子结构量子调控的发展。本项目共发表论文16篇，代表性成果发表在PNAS、Nature Materials、Nature Communications、Physical Review B等杂志。