二维拓扑绝缘体1T’-WTe2与锡烯的MBE生长与STM表征

论文摘要

二维拓扑绝缘体是一种全新的量子态,它的主要特征是体态绝缘,但边缘处存在受时间反演对称性保护的无带隙拓扑边缘态。这种受拓扑保护的无带隙边缘态是自旋动量锁定的,使得它对缺陷和非磁性杂质的散射不敏感,形成无耗散的导电通道。基于这些新奇的特性,二维拓扑绝缘体在未来低功耗器件、自旋电子器件和量子计算等方面有着广泛的应用前景。2014年,理论研究人员预测单层的1T’相过渡金属硫属化合物是一类新的二维拓扑绝缘体材料,包括WSe2、WTe2等6种材料。这类新的拓扑材料结构稳定,有可观的体带隙,有望于实现室温量子自旋霍尔效应。同时又有理论人员预测单层低翘曲结构的锡烯是拥有0.1eV大体带隙的二维拓扑绝缘体,并且有着许多吸引的性质。在本论文中,我们通过分子束外延技术（MBE）对这两种新的二维拓扑绝缘体材料进行生长探索,并利用扫描隧道显微镜（STM）与扫描隧道谱（STS）对它们的电子结构和边缘态性质进行了研究,得出了以下主要实验结果:1.通过分子束外延生长技术,我们在石墨烯衬底上成功生长出高质量的单层1T’-WTe2。借助扫描隧道显微镜与扫描隧道谱,我们不仅研究了其晶格结构,还直接观察到了单层1T’-WTe2的拓扑边缘态,证实了理论的预测结果。2.我们通过高分辩的扫描隧道谱与准粒子干涉技术精确地表征了单层1T’-WTe2的能带结构,证实了其是一个半金属性的能带结构,不存在一个SOC（自旋轨道耦合）打开的完全能隙。除此之外,我们费米能级处观察到了 一个由电子-电子库仑相互作用产生的库仑能隙。库仑带隙的打开可以有效地抑制单层1T’-VWTe2的体电导的干扰,导致低温下的绝缘行为,从而使得更容易观察到量子化的拓扑边缘电导。3.通过控制生长条件,我们在Bi（111）衬底上得到了高质量的锡烯,除此之外,我们还得到了一个全新的锡烯R3相（（?）×（?）重构相）。借助扫描隧道显微镜我们对这两个相的晶格结构进行了初步的研究。通过扫描隧道谱,我们发现这两个相的电子结构很不一样,锡烯R3相在费米能级处存在一个平底的能隙形状结构。除此之外.我们还通过扫描隧道谱直接观察到了锡烯R3相的边缘态,表明锡烯R3相很有可能是一种新的二维拓扑绝缘体。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 宋业恒

导师: 李绍春

关键词: 量子自旋霍尔效应,二维拓扑绝缘体,拓扑边缘态,自旋轨道耦合,扫描隧道显微镜,准粒子干涉

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 南京大学

分类号: O469

总页数: 120

文件大小: 12159K

下载量: 347

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