李洪

摘 要：作為當(dāng)前量子材料當(dāng)中最為新穎的一種，拓?fù)浣^緣體的出現(xiàn)迅速受到凝聚態(tài)物理研究專家的青睞，其通過大量研究發(fā)現(xiàn)拓?fù)浣^緣體的薄膜只有幾納米厚，但其自身獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征和物理性質(zhì)使得拓?fù)浣^緣體可以被有效應(yīng)用在平面器件當(dāng)中。因此本文將通過采用文獻(xiàn)研究法，結(jié)合當(dāng)前有關(guān)拓?fù)浣^緣體薄膜的國內(nèi)外大量相關(guān)研究理論成果，著重圍繞拓?fù)浣^緣體薄膜和有限尺寸效應(yīng)進(jìn)行簡要分析研究。

關(guān)鍵詞：拓?fù)浣^緣體薄膜；有限尺寸效應(yīng)；外延生長

中圖分類號：O484.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）01-0214-02

目前在有關(guān)拓?fù)浣^緣體薄膜的研究方面還對其拓?fù)湫再|(zhì)存在一定爭議，有部分研究人員主張拓?fù)浣^緣體薄膜為三維絕緣體，但也有部分研究人員認(rèn)為拓?fù)浣^緣體薄膜為二維絕緣體甚至是普通絕緣體。因此本文將通過結(jié)合分子束外延技術(shù)，探究拓?fù)浣^緣體薄膜及有限尺寸效應(yīng)，希望能夠?yàn)槿藗冊谠擃I(lǐng)域以及量子現(xiàn)象的研究方面提供必要的參考幫助。

1 拓?fù)渑c拓?fù)浣^緣體的簡單介紹

1.1 拓?fù)?/p>

從本質(zhì)上來說，拓?fù)涫且粋€(gè)數(shù)學(xué)概念，而拓?fù)湫再|(zhì)指的就是對于細(xì)節(jié)缺乏敏感性的部分性質(zhì)，譬如兩種大小不一、材質(zhì)不同的物質(zhì)，因其表面都存在一個(gè)缺損口，因此在拓?fù)渖咸幱诘葍r(jià)狀態(tài)，而物質(zhì)表面上缺損口的具體數(shù)量就是一種對于細(xì)節(jié)缺乏敏感性的拓?fù)涮卣鳌？紤]到能帶結(jié)構(gòu)直接影響材料自身性質(zhì)，因此利用拓?fù)浞绞奖硎灸軒?，則該材料同樣也存在對細(xì)節(jié)缺乏敏感性的特征。

1.2 拓?fù)浣^緣體

在量子霍爾效應(yīng)下，二維電子系統(tǒng)會在磁場強(qiáng)度較大的情況下生成各種分立朗道能級，此時(shí)的二維電子系統(tǒng)基本上可以被看做是一種絕緣體。但該絕緣體自身的能帶結(jié)構(gòu)具有特殊的拓?fù)涮卣鳎虼耸沟昧孔踊魻栯娮杈哂袠O強(qiáng)的穩(wěn)定性，即便樣品細(xì)節(jié)發(fā)生變化，量子霍爾電阻數(shù)值依然保持固定不變，此時(shí)其對于細(xì)節(jié)缺乏敏感性的性質(zhì)也使得量子霍爾系統(tǒng)成為強(qiáng)磁場當(dāng)中的拓?fù)浣^緣體。在有關(guān)拓?fù)浣^緣體最新的研究當(dāng)中，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在沒有外加磁場的環(huán)境下強(qiáng)自旋軌道耦合的窄帶半導(dǎo)體同樣也可以被歸屬于拓?fù)浣^緣體的范疇當(dāng)中。由于在費(fèi)米能級的位置處材料本身的體能帶存在能隙，加之其本身特有的拓?fù)湫再|(zhì)使得在其表面/界面態(tài)上會出現(xiàn)一種與石墨烯相似的能帶結(jié)構(gòu)，因此此種自旋極化的拓?fù)浣^緣體具有良好的穩(wěn)定性，不會輕易出現(xiàn)污染、氧化等問題。

2 拓?fù)浣^緣體薄膜的相關(guān)分析

現(xiàn)階段研究人員普遍認(rèn)為拓?fù)浣^緣體主要有普通、三維以及二維拓?fù)浣^緣體這幾種類型。其中二維拓?fù)浣^緣體擁有普通拓?fù)溥吔鐟B(tài)，而三維拓?fù)浣^緣體則具有二維拓?fù)浔砻鎽B(tài)。為了有效研究拓?fù)浣^緣體薄膜以及有限尺寸效應(yīng)，本文將選擇三維拓?fù)浣^緣體材料即Bi2Se3材料，同時(shí)使用分子束外延技術(shù)生成單晶薄膜，并利用專業(yè)的顯微鏡等設(shè)備儀器對逐層生長的薄膜進(jìn)行觀察分析，進(jìn)而簡要探究不同薄膜厚度下拓?fù)浣^緣體的性質(zhì)、能帶等變化情況。

2.1 晶體結(jié)構(gòu)

Bi2Se3材料帶有明顯的層狀特性，其總共由五個(gè)原子層共同組合而成，其中Bi和Se單原子層分別有兩個(gè)以及三個(gè)，彼此相互交替組成了一個(gè)完整的周期結(jié)構(gòu)。而根據(jù)馬靜、雷玉璽（2016）[1]在研究Bi2Te3這一拓?fù)浣^緣體薄膜的電子結(jié)構(gòu)以及其第一性原理當(dāng)中給出的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，Bi2Te3周期結(jié)構(gòu)的高度為0.95納米，而每五個(gè)原子層則為一個(gè)大周期結(jié)構(gòu)，在每一個(gè)五原子層當(dāng)中，彼此之間都存在相互作用，且共價(jià)鍵相對較強(qiáng)。為了方便研究，本文在Bi2Se3薄膜襯底的選擇方面選用了雙層石墨烯終止的6H-SiC（0001），其良好的化學(xué)惰性能夠有效避免和氧化性較強(qiáng)的Se相互反應(yīng)，其原子級表面不僅面積相對較大且十分平整，有助于Bi2Se3薄膜的有效生長。下圖1展示的就是拓?fù)浣^緣體Bi2Se3的晶體結(jié)構(gòu)示意：

2.2 條件控制

為了能夠有效實(shí)現(xiàn)Bi2Te3拓?fù)浣^緣體薄膜的生長，本文通過參照張濤、仇懷利（2016）等[2]學(xué)者的相關(guān)研究方法，通過對襯底溫度進(jìn)行控制，使其能夠始終維持在Bi和Se源溫度的區(qū)間內(nèi)，并采用1：10的Bi及Se束流比。但在研究當(dāng)中我們可以發(fā)現(xiàn)Se源具有極高的蒸發(fā)溫度，而石墨烯表面則相對比較光滑，因此被蒸發(fā)出的Se原子及分子幾乎無法在襯底表面實(shí)現(xiàn)單獨(dú)吸附。而在襯底表面上如果吸附了Bi原子，Se在于其進(jìn)行反應(yīng)之下將會形成化合物，因此通過控制Bi束流即可對薄膜的生長速率進(jìn)行有效控制。

2.3 外延生長

本文選擇的Bi2Te3薄膜其擁有平整的大面積原子級表面，缺陷密度相對比較低，表面臺階有著一個(gè)五原子層周期結(jié)構(gòu)的高度，但每一個(gè)周期結(jié)構(gòu)之間的相互作用比較弱，因此使得結(jié)構(gòu)表面的自由能也相對比較低，在整個(gè)Bi2Te3薄膜的表面上只能夠?qū)ξ逶訉又芷诮Y(jié)構(gòu)表面進(jìn)行有效顯示。而根據(jù)相關(guān)圖譜顯示確實(shí)在試驗(yàn)樣品上生成了Bi2Te3拓?fù)浣^緣體薄膜。在有效控制Bi束流，掌控Bi2Te3薄膜生長速率的過程中，獲得了如圖2所示的光電子能譜：

圖2中右側(cè)位置處的豎直虛線則代表著因量子限制效應(yīng)體能而生成的量子阱態(tài)，其峰位在Bi2Te3薄膜的厚度方面具有較高的靈敏度，當(dāng)Bi2Te3薄膜越來越厚，峰位卻并沒有隨之出現(xiàn)連續(xù)性的移動(dòng)，反而有一套峰完全消失，但在此過程中也逐漸出現(xiàn)了另一套峰。這也表明隨著Bi2Te3薄膜厚度值越來越大，在薄膜逐層生長的過程中量子阱態(tài)也會隨之出現(xiàn)相應(yīng)的變化，而在只出現(xiàn)一套峰的情況下，與之相對應(yīng)的Bi2Te3薄膜在一定范圍內(nèi)，其厚度也相對比較均勻。

3 拓?fù)浣^緣體的有限尺寸效應(yīng)

拓?fù)浣^緣體的有限尺寸效應(yīng)需要建立在拓?fù)浣^緣體材料的外延生長之上，而本文通過在室溫環(huán)境下，對Bi2Te3薄膜的厚度進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)在厚度相對較小時(shí)，Bi2Te3薄膜的能帶結(jié)構(gòu)變化十分明顯。

在Bi2Te3薄膜厚度不超過六個(gè)五原子層時(shí)，表面態(tài)上出現(xiàn)了顯著的能隙，并且確實(shí)在薄膜上存在狄拉克點(diǎn)。而當(dāng)薄膜厚度在五個(gè)五原子層結(jié)構(gòu)厚度時(shí)，不僅表面態(tài)上存在明顯的能隙，并且相比于六個(gè)五原子層厚度時(shí)更大，而最后在不斷減小Bi2Te3薄膜的過程中，我們也可以清晰發(fā)現(xiàn)能隙逐漸增大，因此可以推斷出Bi2Te3薄膜厚度和表面態(tài)能隙之間存在反比關(guān)系[3]。endprint

在Bi2Te3薄膜厚度為兩個(gè)五原子層以上但不超過六個(gè)五原子層時(shí)，表面態(tài)上不僅擁有清晰的能隙，同時(shí)還出現(xiàn)了劈裂情況。但劈裂并非一直存在，根據(jù)相關(guān)圖譜顯示，在F點(diǎn)位置處劈裂間徹底消失，但隨著其與F點(diǎn)位置之間距離的逐漸變遠(yuǎn)，劈裂也越來越明顯。雖然從表面上來看在這一薄膜厚度下出現(xiàn)的劈裂和以往的Rashba自旋劈裂有著明顯的相似性，但二者之間仍然存在本質(zhì)上的區(qū)別。此時(shí)形成的劈裂其外分支表面態(tài)信號相對比較弱，而隨后在使用二次曲線擬合表面態(tài)并獲取相應(yīng)系數(shù)的過程中，劈裂確實(shí)會隨著不斷減小的Bi2Te3薄膜厚度而相應(yīng)減小，當(dāng)Bi2Te3薄膜只有兩個(gè)五原子層厚時(shí)能帶劈裂不復(fù)存在。

本文在持續(xù)觀察Bi2Te3薄膜厚度變化時(shí)也發(fā)現(xiàn)薄層薄膜化學(xué)勢與之有著十分緊密的關(guān)聯(lián)，在將薄膜厚度增加至五十個(gè)五原子層厚，發(fā)現(xiàn)在費(fèi)米面下的0.12eV位置處出現(xiàn)了狄拉克點(diǎn)。而在將薄膜厚度調(diào)整至六個(gè)五原子層厚時(shí)，在費(fèi)米面下的0.26eV左右位置處便出現(xiàn)了狄拉克點(diǎn)。由此也證明了薄膜厚度確實(shí)會在一定程度上影響著薄膜的化學(xué)勢，隨后在將薄膜厚度調(diào)整至二十個(gè)五原子層厚時(shí)，費(fèi)米能級附近并沒有出現(xiàn)狄拉克點(diǎn)，此時(shí)薄膜當(dāng)中已經(jīng)摻雜了部分電子。

在對表面態(tài)上能帶進(jìn)行觀測的過程中，我們也可以從獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)中了解到在Bi2Te3薄膜厚度的調(diào)整變化下，F(xiàn)點(diǎn)峰位處的能帶也會隨之出現(xiàn)相應(yīng)的變化并顯示出量子阱態(tài)，此時(shí)在表面態(tài)上的能帶就是導(dǎo)帶，而在表面態(tài)下的能帶則作為價(jià)帶電子帶。當(dāng)不斷減小Bi2Te3薄膜時(shí)，拓?fù)浣^緣體的表面態(tài)電子將會向另外一個(gè)表面遷移，此時(shí)兩個(gè)不同表面的表面態(tài)波函數(shù)將會相互交疊，但此種交疊只是一種自旋簡并，對能帶色散關(guān)系并不會產(chǎn)生直接的影響。在對厚度為五個(gè)五原子層的Bi2Te3薄膜表面態(tài)實(shí)空間分布進(jìn)行計(jì)算的過程中，我們可以直觀地發(fā)現(xiàn)界面處會同時(shí)出現(xiàn)能隙上下表面態(tài)的外面與里面兩支，而在表面處則分別分布著能隙上下表面態(tài)的里面以及外面兩支。在Bi2Te3薄膜厚度不超過六個(gè)五原子層時(shí)，表面和界面上原本化學(xué)勢各不相同的狄拉克型，其表面態(tài)發(fā)生了雜化的情況，因此導(dǎo)致能隙以及劈裂的出現(xiàn)。在Bi2Te3薄膜越來越厚的過程中，能隙上表面態(tài)外面兩支反而越來越弱，這也表明在Bi2Te3薄膜逐漸增大時(shí)，探測深度和位于界面位置處的狄拉克表面態(tài)之間的距離也逐漸增大[4]。而導(dǎo)致這一現(xiàn)象出現(xiàn)的原因除了是受到表面以及界面自身環(huán)境變化的影響，還有可能是由于薄膜和襯底電荷在自由移動(dòng)下，使得原本位于薄膜當(dāng)中平整筆直的能帶發(fā)生了彎曲，進(jìn)而導(dǎo)致界面和表現(xiàn)的化學(xué)勢無法保持一致。

4 結(jié)語

本文通過在對拓?fù)湟约巴負(fù)浣^緣體的具體概念進(jìn)行簡要闡述的基礎(chǔ)之上，運(yùn)用分子束外延技術(shù)完成了拓?fù)浣^緣體薄膜的生成，并在對溫度等薄膜生長條件進(jìn)行適當(dāng)控制之下，有效掌控了拓?fù)浣^緣體薄膜的層厚。發(fā)現(xiàn)在不同表面化學(xué)勢的作用之下，在選擇的兩種實(shí)驗(yàn)材料Bi2Te3以及Sb2Te3當(dāng)中均出現(xiàn)了量子薄膜并存在有限尺寸效應(yīng)。而相信在未來科學(xué)技術(shù)水平的持續(xù)提升之下，未來有關(guān)拓?fù)浣^緣體薄膜以及有限尺寸效應(yīng)的研究還將更加深入，其研究成果也將更加全面豐富。

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