在预刻蚀的衬底上通过分子束外延直接生长出拓扑绝缘体薄膜的微器件

在利用光刻将拓扑绝缘体外延薄膜加工成微米尺寸结构的过程中,所用的各种化学物质会导致薄膜质量的下降.在实验中,通过在钛酸锶衬底上预先光刻出Hall bar形状的凸平台并以此为模板进行拓扑绝缘体(Bi x Sb1-x)2Te3薄膜的分子束外延生长,直接获得了薄膜的Hall bar微器件,从而避免了光刻过程对材料质量的影响.原子力显微镜和输运测量结果均显示该微器件保持了(Bi x Sb1-x)2Te3外延薄膜原有的性质.这种新的微器件制备方法有助于在拓扑绝缘体中实现各种新奇的量子效应,并可推广于其他外延生长的低维系统.     

金属薄膜中磁性交换耦合的量子阱效应机制研究新进展

通过对电子在量子阱中的运动行为与经典的弦振动的类比，形象地介绍了金属薄膜中磁性交换耦合的量子阱效应机制研究新进展。电子的几率密度变化周期依赖于双量子阱系统的对称性，其振荡周期符合一个晶格调制渡的理论预言双量子阱系统电子波函数的宇称和量子数的变化。     

Si(110)和Si(111)衬底上制备InGaN/GaN蓝光发光二极管

分别在Si(110)和Si(111)衬底上制备了In Ga N/Ga N多量子阱结构蓝光发光二极管(LED)器件.利用高分辨X射线衍射、原子力显微镜、室温拉曼光谱和变温光致发光谱对生长的LED结构进行了结构表征.结果表明,相对于Si(111)上生长LED样品,Si(110)上生长的LED结构晶体质量较好,样品中存在较小的张应力,具有较高的内量子效率.对制备的LED芯片进行光电特性分析测试表明,两种衬底上制备的LED芯片等效串联电阻相差不大,在大电流注入下内量子效率下降较小;但是,相比于Si(111)上制备LED芯片,Si(110)上LED芯片具有较小的开启电压和更优异的发光特性.对LED器件电致发光(EL)发光峰随驱动电流的变化研究发现,由于Si(110)衬底上LED结构中阱层和垒层存在较小的应力/应变而在器件中产生较弱的量子限制斯塔克效应,致使Si(110)上LED芯片EL发光峰随驱动电流的蓝移量更小.     

InSb(111)衬底上外延生长二维拓扑绝缘体锡烯/铋烯的差异性研究

近些年,人们对拓扑材料体系的认知得到了飞速发展.随着量子信息科学与技术成为当下科学研究的热点,具有大能隙高稳定性的低维拓扑材料有从基础研究向应用探索的趋势发展.如何实现高质量、大面积的单晶生长是影响拓扑材料走向实用化的重要一步.本文报道了在具有Sb原子终止面的InSb(111)衬底上利用分子束外延技术生长低维拓扑绝缘体锡烯与铋烯的实验结果.实验中发现,无论是锡烯还是铋烯,起始外延阶段都会在衬底上形成单层的浸润层.由于锡原子之间的相互作用远强于其与衬底的表面结合力,因此浸润层呈岛状生长,晶畴岛与岛合并的过程中边界效应明显,导致薄膜实际上由大量小晶畴拼接而成,畴壁处的缺陷难以避免.而浸润层的晶体学质量又限制了后续锡烯薄膜的外延行为,因此实验发现难以实现高质量且层数准确可控的单晶锡烯薄膜生长.而铋原子与衬底表面的结合能强于原子之间的相互作用,能够在较高温度下实现浸润层的单层层状生长,高质量的浸润层为后续铋烯的生长提供了良好的外延过渡层,因此发现实验中更容易得到大面积的铋烯薄膜.本文实验结果及相关理解对于利用半导体衬底生长低维拓扑晶体薄膜具有指导意义.     

拓扑绝缘体(Bi0.5Sb0.5)2Te3薄膜中的线性磁阻

本文报道了拓扑绝缘体(Bi_0.5Sb_0.5)₂Te₃薄膜中线性磁阻问题的系统性研究工作. 此体系中, 线性磁阻在很宽的温度和磁场范围内出现: 磁场高达18 T时磁阻仍没有饱和趋势, 并且当温度不高于50 K时, 线性磁阻的大小对温度的变化不敏感. 栅压调控化学势可明显改变线性磁阻的大小. 当化学势接近狄拉克点时, 线性磁阻最为显著. 这些结果说明电荷分布的不均匀性是引起该材料线性磁阻的根源.     

拓扑绝缘体薄膜在超快光器件中的应用(特邀)

随着超快光学的发展和对以Bi2Te3为代表的拓扑绝缘体材料研究的深入,近几年,将拓扑绝缘体薄膜应用于超快光器件的研究方向发展迅速并发表了一系列研究成果,本文综述了近年来基于拓扑绝缘体材料的超快激光及光器件的研究.从材料结构及制备方法出发,介绍了其独特的光学及光电特性,总结了其在超快激光及光器件中的应用研究进展,回顾和讨...     

脉冲激光沉积法在多孔铝衬底上生长的ZnO薄膜的结构与光学性质

ZnO是一种性质优良很有前途的紫外光电子器件材料,多孔铝是一种良好的模板型衬底,试图将二者结合起来以制备出一种全新的光电功能材料。制备了三种不同孔径多孔铝衬底,采用脉冲激光沉积法,在真空背景下,在多孔铝衬底上生长了氧化锌薄膜。利用扫描电子显微镜、X射线衍射和光致荧光对样品进行了测试和分析。研究表明:利用不同孔径的多孔铝衬底生长的氧化锌薄膜的结构和光学性质差异很大。样品A的光致发光主要是394nm的紫外发射和498nm的蓝绿光发射;样品B的光致发光主要是417nm的紫光发射和466nm蓝光发射;样品C的光致发光主要是415nm的紫光发射和495nm的蓝绿光发射。由于薄膜是富锌的,随着在空气中氧化的进行,光谱发生变化。利用固体能带理论对光谱进行了全面的分析。     

利用P-MBE方法在(400)Si衬底上生长ZnO薄膜

利用等离子体辅助分子束外延(P-MBE)方法在(400)Si衬底上生长ZnO薄膜。为改善生长后样品的质量,把样品解理成三块后,在不同温度下氧气气氛中退火。通过X射线衍射(XRD)谱和光致发光(PL)谱进行表征,讨论了用P-MBE方法在Si基上生长的ZnO的室温光致发光发光峰的可能原因。     

铁磁绝缘体间的极薄Bi2Se3薄膜的相变研究

研究一个极薄三维拓扑绝缘体Bi₂Se₃薄膜处于两个铁磁绝缘体层之间, 其铁磁层的磁化方向都处于竖直平面, 系统拓扑性质随磁化方向夹角的变化. 从表面态电子低能有效哈密顿量出发计算系统的Chern 数, 和运用一个具有Armchair边界的单层六角晶格带的紧束缚模型模拟系统的体能带和边缘态, 来确定系统所处的拓扑相. 发现两个铁磁层的磁化方式从平行转到反平行的某一临界角度, 系统经历从反常量子霍尔相到普通绝缘相的转变.     

单轴压力下Ge2X2Te5(X=Sb,Bi)薄膜拓扑相变的第一性原理研究

随着拓扑绝缘体的发现, 材料拓扑物性的研究成为凝聚态物理研究的热点领域. 本文基于第一性原理计算, 研究了化合物Ge₂X₂Te₅ (X=Sb, Bi) 的块体结构和二维单层和双层薄膜结构的拓扑物性, 以及单双层薄膜在垂直方向单轴压力下的拓扑量子相变. 研究发现, A型原子序列排列的这两种化合物都是拓扑绝缘体, 其单层薄膜都是普通金属, 而双层薄膜都是拓扑金属, 单层和双层薄膜在单轴加压过程中都没有发生拓扑量子相变; 这两种化合物的B型原子序列的晶体是普通绝缘体, 其所对应的薄膜, Ge₂Sb₂Te₅单层是普通金属, 双层薄膜和Ge₂Bi₂Te₅的单层和双层薄膜均为普通绝缘体, 但是在单轴加压过程中B 型原子序列所对应的单层和双层薄膜都转变为拓扑金属.     

Bi2Te3拓扑绝缘体表面颗粒化铅膜诱导的超导邻近效应

拓扑绝缘体的出现为寻找拓扑超导体和Majorana费米子提供了一种可能的途径. 在拓扑绝缘体Bi₂Te₃表面沉积极薄的不连续铅膜, 试图通过邻近效应感应出大片的超导区, 为下一步研究拓扑超导电性创造条件.借助四引线电输运测量实验, 在0.25 K的低温下看到了超流现象, 表明沉积在Bi₂Te₃表面的厚度小于20 nm的颗粒化铅膜能够诱导邻近效应, 并且使大片Bi₂Te₃超导. 关键词： 超导邻近效应 S-N-S结 拓扑绝缘体     

Atmospheric pressure chemical vapour deposition of NbSe2-TiSe2 composite thin films

Atmospheric pressure chemical vapour deposition of titanium tetrachloride and niobium pentachloride with di-tert-butyl selenide at 550 °C was investigated for different precursors’ flow rates. Scanning electron microscopy of the films showed that they were composed of two different kinds of plate-like crystallites. Point wavelength dispersive X-ray (WDX) analyses of the crystallites revealed that they either had the NbSe₂ or the TiSe₂ composition. The presence of the two phases was confirmed by X-ray diffraction (XRD) and the calculated cell parameters indicate that niobium or titanium was not incorporated into each others’ lattice. WDX and XRD analyses highlighted how the NbSe₂:TiSe₂ ratio in the composite films could be controlled by precursor flow rate.     

铜箔上生长的六角氮化硼薄膜的扫描隧道显微镜研究

利用扫描隧道显微镜研究了采用化学气相沉积法在铜箔表面生长出的高质量的六角氮化硼薄膜. 大范围的扫描隧道显微镜图像显示出该薄膜具有原子级平整的表面, 而扫描隧道谱则显示, 扫描隧道显微镜图像反映出的是该薄膜样品的隧穿势垒空间分布. 极低偏压的扫描隧道显微镜图像呈现了氮化硼薄膜表面的六角蜂窝周期性原子排列, 而高偏压的扫描隧道显微镜图像则呈现出无序和有序排列区域共存的电子调制图案. 该调制图案并非源于氮化硼薄膜和铜箔衬底的面内晶格失配, 而极有可能来源于两者界面处的氢、硼和/或氮原子在铜箔表面的吸附所导致的隧穿势垒的局域空间分布.     

拓扑绝缘体薄膜生长与栅电压调控输运特性研究

文章讨论了三维拓扑绝缘体制备和输运性质研究方面的进展情况.首先介绍了拓扑绝缘体体材料和薄膜的制备,并介绍了文章作者利用分子束外延方法,在硅表面以及高介电常数材料钛酸锶表面生长高质量拓扑绝缘体Bi2Se3薄膜的工作.然后介绍了拓扑绝缘体输运研究的现状,以及文章作者在栅电压调控拓扑绝缘体外延薄膜的化学势和输运性质方面的研究成果.     

拓扑绝缘体薄膜生长与栅电压调控输运特性研究

文章讨论了三维拓扑绝缘体制备和输运性质研究方面的进展情况.首先介绍了拓扑绝缘体体材料和薄膜的制备,并介绍了文章作者利用分子束外延方法,在硅表面以及高介电常数材料钛酸锶表面生长高质量拓扑绝缘体Bi2Se3薄膜的工作.然后介绍了拓扑绝缘体输运研究的现状,以及文章作者在栅电压调控拓扑绝缘体外延薄膜的化学势和输运性质方面的研究成果.     

Transport properties of topological insulators films and nanowires

The last several years have witnessed the rapid developments in the study and understanding of topological insulators. In this review, after a brief summary of the history of topological insulators, we focus on the recent progress made in transport experiments on topological insulator films and nanowires. Some quantum phenomena, including the weak antilocalization, the Aharonov-Bobm effect, and the Shubnikov-de Haas oscillations, observed in these nanostructures are described. In addition, the electronic transport evidence of the superconducting proximity effect as well as an anomalous resistance enhancement in topological insulator/superconductor hybrid structures is included.     

Growth mechanism and characterisation of chemically grown Sb doped Bi2Se3 thin films

The synthesis of combinatorial Bi_2−xSb_xSe₃ thin films by arrested precipitation technique (APT) using triethanolamine-bismuth, triethanolamine-antimony and sodium selenosulphite as sources of Bi³⁺, Sb³⁺ and Se²⁻, respectively is investigated on commercial glass substrates. The growth mechanism of film formation, composition and surface morphology of the as deposited films were studied as a function of preparative parameters and bath composition. The films were monophasic, polycrystalline and covered the surface of the substrate completely. Energy dispersive X-ray analysis gave coherent elemental composition indicating single phase BiSbSe₃ was made. The good results obtained for Bi_2−xSb_xSe₃ thin films revealed that arrested precipitation technique is best suited for the deposition of large area thin films on conducting/nonconducting substrates to produce materials for device applications.