拓撲絕緣體的材料制備和量子輸運特性是近年來國際研究前沿的一個熱點。在眾多拓撲絕緣體材料中，Bi2Se3是拓撲絕緣體家族中一種重要的三維強拓撲絕緣體。拓撲絕緣體納米結(jié)構(gòu)因其巨大的比表面積和增強的表面電導(dǎo)貢獻非常有利于探索拓撲絕緣體奇異表面態(tài)的物理性質(zhì)和開發(fā)拓撲絕緣體在自旋電子學(xué)等方面的潛在應(yīng)用。
北京大學(xué)物理學(xué)院俞大鵬“納米結(jié)構(gòu)與低維物理”研究團隊的青年教師廖志敏副教授帶領(lǐng)研究生在拓撲絕緣體Bi2Se3納米材料制備、量子輸運性質(zhì)和光熱電性質(zhì)等方面取得系列新進展。他們通過化學(xué)氣相沉積法可控合成了各種Bi2Se3納米結(jié)構(gòu)，在量子輸運測量中觀測到Shubnikov-de Haas(SdH)振蕩，分析表明存在Berry相位π，這是拓撲絕緣體表面狄拉克費米子的重要特征(Scientific Reports 3，1264，2013);此外，他們在低溫強磁場條件下系統(tǒng)研究了單個Bi2Se3納米片的輸運性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其載流子遷移率高達104cm2/Vs，并且在14特斯拉強磁場下觀察到高達400%尚無飽和跡象的正磁阻效應(yīng)，揭示了磁電阻與遷移率之間的相互關(guān)系(Applied Physics Letters 103，033106，2013);磁輸運測量對于揭示拓撲表面態(tài)的物理性質(zhì)具有重要意義，但是在垂直磁場下，SdH振蕩總是疊加在一個很大的線性磁阻背景上，這為分析表面狄拉克費米子的輸運行為帶來困難，他們通過外加平面內(nèi)磁場，測量到明顯的SdH振蕩，而沒有正磁阻背景，確認了來源于Bi2Se3納米片側(cè)面表面態(tài)的量子輸運(Scientific Reports 4，3817，2014)。
通過圓偏振光可以選擇性激發(fā)拓撲絕緣體的表面態(tài)，從而產(chǎn)生自旋極化的表面態(tài)，由于自旋方向與動量方向的鎖定關(guān)系，樣品中會產(chǎn)生電子定向運動的光電流。Bi2Se3也是一個很好的熱電材料，在非均勻的光輻照下，會產(chǎn)生光熱電效應(yīng)。最近，該研究團隊協(xié)同創(chuàng)新，與北京大學(xué)國際量子材料科學(xué)中心孫棟教授、清華大學(xué)物理系周樹云教授(ARPES測量)、比利時安特衛(wèi)普大學(xué)的G. /V. Tendeloo 教授和柯小行博士(球差矯正電鏡原子分辨結(jié)構(gòu)研究)、北京理工大學(xué)吳漢春教授等合作，觀測到Bi2Se3中圓偏振光增強的光熱電效應(yīng)，該結(jié)果有望用于自旋極化的電流源的產(chǎn)生。相關(guān)工作以“Topological Surface State Enhanced Photothermoelectric Effect in Bi2Se3 Nanoribbons”為題，在線發(fā)表在Nano Letters (DOI: 10.1021/nl501276e，2014)上，北大物理學(xué)院博士生嚴緣為該論文的第一作者。
圖1 上：Bi2Se3納米帶的球差矯正透射電鏡的原子分辨結(jié)構(gòu)圖像以及室溫下測量的角分辨光電子譜ARPES (Nano Letters DOI: 10.1021/nl501276e，2014);下：起源于Bi2Se3納米帶側(cè)壁(Sidewall)表面態(tài)輸運的SdH振蕩(Scientific Reports 4，3817，2014)
圖2 拓撲絕緣體Bi2Se3中圓偏振光增強的光熱電效應(yīng) (Nano Letters DOI: 10.1021/nl501276e，2014)
上述研究工作得到了人工微結(jié)構(gòu)與介觀物理國家重點實驗室、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、國家973計劃和國家自然科學(xué)基金的大力支持。
北京大學(xué)物理學(xué)院俞大鵬“納米結(jié)構(gòu)與低維物理”研究團隊的青年教師廖志敏副教授帶領(lǐng)研究生在拓撲絕緣體Bi2Se3納米材料制備、量子輸運性質(zhì)和光熱電性質(zhì)等方面取得系列新進展。他們通過化學(xué)氣相沉積法可控合成了各種Bi2Se3納米結(jié)構(gòu)，在量子輸運測量中觀測到Shubnikov-de Haas(SdH)振蕩，分析表明存在Berry相位π，這是拓撲絕緣體表面狄拉克費米子的重要特征(Scientific Reports 3，1264，2013);此外，他們在低溫強磁場條件下系統(tǒng)研究了單個Bi2Se3納米片的輸運性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其載流子遷移率高達104cm2/Vs，并且在14特斯拉強磁場下觀察到高達400%尚無飽和跡象的正磁阻效應(yīng)，揭示了磁電阻與遷移率之間的相互關(guān)系(Applied Physics Letters 103，033106，2013);磁輸運測量對于揭示拓撲表面態(tài)的物理性質(zhì)具有重要意義，但是在垂直磁場下，SdH振蕩總是疊加在一個很大的線性磁阻背景上，這為分析表面狄拉克費米子的輸運行為帶來困難，他們通過外加平面內(nèi)磁場，測量到明顯的SdH振蕩，而沒有正磁阻背景，確認了來源于Bi2Se3納米片側(cè)面表面態(tài)的量子輸運(Scientific Reports 4，3817，2014)。
通過圓偏振光可以選擇性激發(fā)拓撲絕緣體的表面態(tài)，從而產(chǎn)生自旋極化的表面態(tài)，由于自旋方向與動量方向的鎖定關(guān)系，樣品中會產(chǎn)生電子定向運動的光電流。Bi2Se3也是一個很好的熱電材料，在非均勻的光輻照下，會產(chǎn)生光熱電效應(yīng)。最近，該研究團隊協(xié)同創(chuàng)新，與北京大學(xué)國際量子材料科學(xué)中心孫棟教授、清華大學(xué)物理系周樹云教授(ARPES測量)、比利時安特衛(wèi)普大學(xué)的G. /V. Tendeloo 教授和柯小行博士(球差矯正電鏡原子分辨結(jié)構(gòu)研究)、北京理工大學(xué)吳漢春教授等合作，觀測到Bi2Se3中圓偏振光增強的光熱電效應(yīng)，該結(jié)果有望用于自旋極化的電流源的產(chǎn)生。相關(guān)工作以“Topological Surface State Enhanced Photothermoelectric Effect in Bi2Se3 Nanoribbons”為題，在線發(fā)表在Nano Letters (DOI: 10.1021/nl501276e，2014)上，北大物理學(xué)院博士生嚴緣為該論文的第一作者。
圖1 上：Bi2Se3納米帶的球差矯正透射電鏡的原子分辨結(jié)構(gòu)圖像以及室溫下測量的角分辨光電子譜ARPES (Nano Letters DOI: 10.1021/nl501276e，2014);下：起源于Bi2Se3納米帶側(cè)壁(Sidewall)表面態(tài)輸運的SdH振蕩(Scientific Reports 4，3817，2014)
圖2 拓撲絕緣體Bi2Se3中圓偏振光增強的光熱電效應(yīng) (Nano Letters DOI: 10.1021/nl501276e，2014)
上述研究工作得到了人工微結(jié)構(gòu)與介觀物理國家重點實驗室、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、國家973計劃和國家自然科學(xué)基金的大力支持。
