表面和界面電子能帶結(jié)構(gòu)的角分辨光電子能譜研究.pdf

1、近年來(lái)，拓?fù)浣^緣體作為一種新的量子物態(tài)受到廣泛關(guān)注。從電子能帶結(jié)構(gòu)角度而言，拓?fù)浣^緣體可直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的是其特殊的表面態(tài)。拓?fù)浣^緣體的表面態(tài)奇數(shù)次穿越費(fèi)米能級(jí)，受到時(shí)間反演對(duì)稱性的保護(hù)，在沒(méi)有磁性雜質(zhì)的前提下，表面態(tài)永遠(yuǎn)保持金屬性。最典型的拓?fù)浔砻鎽B(tài)是具有自旋—?jiǎng)恿挎i定特性的螺旋型狄拉克圓錐能帶結(jié)構(gòu)，其中的電子在確定的動(dòng)量位置有確定的自旋取向。拓?fù)浣^緣體在未來(lái)電子學(xué)和自旋電子學(xué)方面有重要的潛在應(yīng)用前景。同時(shí)，受到拓?fù)浣^緣體研究的激勵(lì)，

2、拓?fù)涑瑢?dǎo)體的研究也蓬勃發(fā)展，拓?fù)涑瑢?dǎo)體的研究有望為拓?fù)淞孔佑?jì)算提供可能的載體。本文利用高分辨率角分辨光電子能譜結(jié)合分子束外延，針對(duì)Bi(111)薄膜、單層Bi(111)/單層Bi2 Se3復(fù)合薄膜以及Na1?y CoO2單晶的表面及界面電子能帶結(jié)構(gòu)及其拓?fù)淞孔討B(tài)進(jìn)行了深入而系統(tǒng)的研究，主要結(jié)果如下：
　　一、實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)在Bi2Te3基底上外延的30nm厚Bi(111)薄膜具有拓?fù)浞瞧接沟奶匦?。利用分子束外延的方式，我們?cè)?Bi2T

3、e3基底上制備了高質(zhì)量的Bi(111)薄膜，利用高分辨率角分辨光電子首次在表面布里淵區(qū)邊界M點(diǎn)處觀測(cè)到一條新的表面態(tài)能帶，該能帶和之前研究中普遍確認(rèn)的另一條自旋劈裂表面態(tài)能帶簡(jiǎn)并于M點(diǎn)，滿足Kramers定理的要求。通過(guò)該能帶的發(fā)現(xiàn)，我們確認(rèn)30 nm厚Bi(111)/Bi2 Te3薄膜的表面態(tài)能帶5次穿越費(fèi)米能級(jí)，呈現(xiàn)出非平庸的拓?fù)涮匦?。結(jié)合觀察到的體能隙結(jié)構(gòu)，我們認(rèn)為30nm厚的Bi(111)/Bi2Te3薄膜是一種三維拓?fù)浣^緣體。

4、
　　二、首次實(shí)現(xiàn)由單層Bi(111)和單層Bi2Se3(111)構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜分子束外延生長(zhǎng)。獨(dú)立的單層Bi(111)薄膜和單層Bi2Se3(111)薄膜都是具有能隙的二維半導(dǎo)體。當(dāng)兩者復(fù)合之后，由于界面效應(yīng)，電子結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化。在第一性原理計(jì)算的支持下，我們利用角分辨光電子能譜在該異質(zhì)薄膜中發(fā)現(xiàn)類似拓?fù)浣^緣體表面態(tài)的螺旋型狄拉克圓錐。理論計(jì)算表明，兩層薄膜的界面處因?yàn)殡姾赊D(zhuǎn)移而形成了強(qiáng)大的內(nèi)部電場(chǎng)，該電場(chǎng)在Bi層中誘導(dǎo)了

5、極大的Rashba型自旋—軌道耦合，從而將Bi的能帶劈裂，出現(xiàn)螺旋型狄拉克圓錐電子結(jié)構(gòu)。通過(guò)兩種有能隙體系的復(fù)合構(gòu)造出無(wú)能隙的螺旋狄拉克圓錐，為研究螺旋狄拉克圓錐的調(diào)控和探索未來(lái)的應(yīng)用提供了一種新的思路。
　　三、利用角分辨光電子能譜結(jié)合自旋分辨光電子能譜，發(fā)現(xiàn)層狀鈷氧化物Na1?y CoO2中存在特殊的表面態(tài)結(jié)構(gòu)。通過(guò)和已有的第一性原理計(jì)算結(jié)果的細(xì)致對(duì)比，我們認(rèn)為該表面態(tài)和理論預(yù)言的表面態(tài)具有相同的物理起源。該表面態(tài)的出現(xiàn)是因?yàn)?/p>