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Science：Bi/SiC—高溫量子自旋霍爾材料的有望候選者

2017-07-10 14:48:34 作者：本網(wǎng)整理來源：材料人分享至：

【引言】

量子自旋霍爾材料是拓撲絕緣體材料中最具代表的二維材料，其存在邊緣電導(dǎo)通道，可防止某些類型的散射，是無損自旋電流革命性器件的希望。但由于其能隙小，所以需要在低溫下應(yīng)用（低于液態(tài)氦氣）才能避免載流子的熱激發(fā)。因此，通過增大材料的能隙值，將熱操作極限提升到室溫以上是器件性能改善的重點之一。

【成果簡介】

近日，德國維爾茨堡大學(xué)J. Schäfer（通訊作者）在Science上發(fā)表了一篇題為“Bismuthene on a SiC substrate: A candidate for a high-temperature quantum spin Hall material”的文章。研究人員通過外延生長技術(shù)在SiC(0001)上沉積了單層蜂窩狀結(jié)構(gòu)的Bi，制備得到了 Bi/SiC材料。使用掃描隧道光譜，檢測到該材料具有約~0.8 eV的間隙和與理論一致的導(dǎo)電邊緣態(tài)。預(yù)期通過優(yōu)化外延生長，可在室溫下應(yīng)用。

【圖文解讀】

圖一 Bi/SiC(0001)結(jié)構(gòu)模型

(a) Bi/SiC(0001)原子堆放順序圖示；

(b) Bi完全覆蓋SiC基片的拓撲STM頂示圖；

(d) Bi的蜂窩結(jié)構(gòu)；

(e) Bi的蜂窩結(jié)構(gòu)形成階段STM圖像: 左邊: 占據(jù)態(tài); 右邊: 空態(tài)。

圖二理論能帶結(jié)構(gòu)與ARPES測量

(a) 利用HSE交換泛函進行自旋 - 軌道耦合密度泛函理論能帶結(jié)構(gòu)計算，虛線為價帶；

(b) ARPES布里淵區(qū)能帶分布，K點為價帶最大值和價帶分裂與理論預(yù)測相吻合點，分光計費米能級設(shè)為0；

(d) 不同結(jié)合能的ARPES恒定能量表面，低結(jié)合能切面密度最高，對應(yīng)價帶最大值，圖譜與六方晶格K與K’點六重簡并結(jié)構(gòu)一致。

圖三 Bi σ能帶低能有效模型電子結(jié)構(gòu)計算

(a) s、p軌道對Bi電子結(jié)構(gòu)的作用(無自旋-軌道耦合)；在各圖中，圖示大小正比于軌道的相對重量；以EF為準(zhǔn)，Bi/SiC PX-和PY-軌道表明軌道分解；

(b) 低能有效模型的電子結(jié)構(gòu)(無自旋-軌道耦合)；

(d) Rashba效應(yīng)增大價帶極值，誘導(dǎo)反向自旋特性分裂。

圖四基片臺面邊緣態(tài)隧道譜

(a) 距邊緣不同距離處的微分電導(dǎo)dI/dV；插圖：基片上坡臺面產(chǎn)生邊界處為STM測量位置；顏色編碼點與光譜顏色相關(guān)；

(b) 通過相同臺面的空間分解 dI/dV數(shù)據(jù)，間隙態(tài)dI/dV數(shù)據(jù)在膜邊緣處達到峰值，灰色虛線為dI/dV最大值；

【小結(jié)】

本文研究表明了基片對于控制2D量子自旋霍爾絕緣體相關(guān)軌道具有決定性作用。在Bi/SiC材料體系中，Bi單層軌道與基片共價鍵合產(chǎn)生了較大的拓撲能隙，使復(fù)合體系穩(wěn)定化，可在常溫下應(yīng)用。該項研究成果開創(chuàng)了增大量子自旋霍爾材料能隙的新方法，即通過使用V族元素作為基片，形成單層-基片復(fù)合材料，大幅度提高了量子自旋霍爾材料的拓撲能隙。

文獻鏈接：Bismuthene on a SiC substrate: A candidate for a high-temperature quantum spin Hall material(Science, 29 June, 2017, DOI: 10.1126/science.aai8142 )

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