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拓扑绝缘体薄膜表面态和掺杂效应的STM研究

作　者: 陈牧
导　师: 薛其坤
学　校: 清华大学
专　业: 物理学
关键词: 分子束外延扫描隧道显微镜拓扑绝缘体表面态量子干涉
分类号: O413
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

三维拓扑绝缘体是一类新的量子物质态,为近年来物理学的热点前沿课题之一。这类材料体内是绝缘体,表面存在无能隙的、受时间反演对称性保护的金属表面态。利用分子束外延技术精确可控地生长高质量的拓扑绝缘体薄膜,是研究拓扑绝缘体的新奇量子现象和探索其在自旋电子学和量子计算等应用的重要基础。Bi2Te3和Sb2Te3是表面具有单个狄拉克锥结构的第二代拓扑绝缘体,可在石墨烯衬底上用分子束外延生长得到。在本博士论文中,我们以生长在石墨烯上的Bi2Te3和Sb2Te3薄膜为衬底,进行了Bi薄膜的异质结生长和元素掺杂研究,利用原位的低温扫描隧道显微镜(STM)系统地研究了这两类体系在纳米尺度下的物理性质,得到的主要结论如下：(1)表面态如果被表面边界囚禁,则可以实现类似光学谐振腔的封闭体系。此封闭体系内的无质量Dirac费米子由于受到边界处多次散射,会形成量子干涉现象。我们在Bi2Te3上沉积亚单层的Bi(111)薄膜,实现了限制Dirac费米子的三角形“量子围栏”。通过围栏内的STM空间局域态密度成像、扫描隧道谱,我们观察到了这种量子干涉行为。结合该体系受限表面态共振散射的具体机制,我们分析了限制表面态寿命的主要来源。我们还系统地研究了Bi膜生长动力学机理、Bi膜对Bi2Te3薄膜的掺杂效应以及两种薄膜的功函数差别,并最终提出了Bi/Bi2Te3界面处能带弯曲的模型。(2)在室温掺杂Sb的Bi2Te3薄膜中,我们观测到了杂质中心的强烈共振峰。通过分析共振峰随空间和能量的变化情况,我们证明该中心处的共振峰与Dirac点是共存的。我们还研究了表面态在杂质周围的散射,结合Bi2Te3等能面构形,定量分析了散射波矢的来源：连接次近邻Γ-K方向电子波矢的q2。对照三类不同沉积条件的样品,我们研究了杂质在薄膜中的占位情况。(3)(BixSb1-x)2Te3合金薄膜是一类电子结构介于Bi2Te3和Sb2Te3之间的拓扑绝缘体材料。我们通过控制掺杂比例,实现了Dirac点相对费米能级的可控移动。在表面6掺杂Bi的Sb2Te3薄膜中,我们分析了不同掺杂浓度下表面态的色散关系和在强磁场下Landau量子化行为的演化,认为Bi掺杂抑制了原表面态内束缚态扰动,表面态更趋于线性色散。我们也观察到了Sb2Te3与Bi2Te3类似的表面态在杂质周围的准粒子相干条纹。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
主要符号对照表  8-9
第1章引言  9-24
  1.1 拓扑绝缘体综述  9-15
    1.1.1 二维拓扑绝缘体  12-13
    1.1.2 三维拓扑绝缘体  13-14
    1.1.3 拓扑绝缘体研究方向和发展前景  14-15
  1.2 二代拓扑绝缘体材料简介  15-17
  1.3 单晶薄膜生长基础  17-22
    1.3.1 薄膜外延生长的基础  17-19
    1.3.2 van der Waals 外延  19-20
    1.3.3 石墨烯衬底简介  20-21
    1.3.4 薄膜表面的缺陷  21-22
  1.4 低维受限量子体系  22-23
  1.5 论文结构和主要内容  23-24
第2章实验原理和实验技术  24-37
  2.1 分子束外延（MBE）技术  24-26
    2.1.1 超高真空技术  25-26
    2.1.2 MBE 技术的应用  26
  2.2 扫描隧道显微镜（STM）技术  26-34
    2.2.1 STM 扫图成像原理  27-29
    2.2.2 主流 STM 的基本构造  29-30
    2.2.3 扫描隧道谱（STS）原理  30-32
    2.2.4 STM 针尖的处理  32-33
    2.2.5 极端条件的引入  33-34
  2.3 实验仪器介绍  34-37
第3章双层 Bi(111)薄膜的生长及 Bi/Bi_2Te_3体系量子围栏的观测  37-63
  3.1 研究背景  37-38
  3.2 实验方法  38-41
  3.3 双层 Bi(111)薄膜的生长与界面表征  41-46
  3.4 Bi/Bi_2Te_3体系中狄拉克电子量子围栏的观测  46-61
    3.4.1 2DEG 散射和量子围栏的研究背景  46-50
    3.4.2 Bi/Bi_2Te_3体系实空间量子围栏的观测  50-56
    3.4.3 Bi/Bi_2Te_3体系 STS 观测以及准粒子寿命分析  56-61
  3.5 本章小结  61-63
第4章 Sb 掺杂的 Bi_2Te_3薄膜杂质共振态和表面态散射  63-78
  4.1 研究背景  63-65
  4.2 实验方法  65-66
  4.3 Bi_2Te_3薄膜的 STM 观测  66-70
  4.4 Sb 杂质对 Bi_2Te_3薄膜的掺杂效应  70-77
    4.4.1 Sb 杂质共振态的探测  70-72
    4.4.2 表面态散射的探测  72-76
    4.4.3 Sb 杂质占位的推断  76-77
  4.5 本章小结  77-78
第5章 (Bi_xSb_(1-x))_2Te_3薄膜掺杂能带工程、表面态 Landau 量子化和杂质散射  78-98
  5.1 研究背景  78-80
  5.2 实验方法  80-84
    5.2.1 Sb_2Te_3薄膜的制备  80-82
    5.2.2 Bi 对 Sb_2Te_3薄膜表面的δ掺杂  82-83
    5.2.3 (Bi_xSb_(1-x))_2Te_3薄膜的制备  83-84
  5.3 (Bi_xSb_(1-x))_2Te_3薄膜的掺杂能带工程  84-86
  5.4 表面δ掺杂 Bi 的 Sb_2Te_3薄膜表面态 Landau 量子化  86-95
    5.4.1 掺杂薄膜在零磁场下的 STM/STS 观测  88-91
    5.4.2 不同掺杂浓度的薄膜在变磁场下的 STS 表征  91-95
  5.5 表面δ掺杂 Bi 的 Sb_2Te_3薄膜杂质散射的探测  95-97
  5.6 本章小结  97-98
第6章结论  98-100
参考文献  100-113
致谢  113-115
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  115-116

拓扑绝缘体薄膜表面态和掺杂效应的STM研究

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