超薄Bi薄膜的電子態(tài)研究.pdf

1、近年來，石墨烯、拓?fù)浣^緣體和過渡族金屬硫族化合物等一系列二維晶體材料由于其新奇的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)等性質(zhì)而被廣泛研究。與上述材料類似，鉍（Bi）的<111>取向的超薄薄膜（Bi(111)）也是一種具有特殊性質(zhì)的二維電子材料。它以雙原子層(bilayer，BL)為一個單元結(jié)構(gòu)，由于層間作用力較弱，因而是一種穩(wěn)定的層狀材料。研究表明 Bi(111)薄膜具有一系列特殊的物理性質(zhì)：（1）由于Bi的體載流子濃度小且具有較長的費(fèi)米波長，Bi(111)

2、薄膜是研究量子尺寸效應(yīng)的極佳材料。（2）體材料Bi具有非常穩(wěn)定而特殊的金屬性表面態(tài)。由于非常強(qiáng)的Rashba型自旋軌道耦合，Bi的表面態(tài)具有自旋劈裂（動量空間）特性，并且相對體有很高的載流子濃度，因此Bi有望成為一種高性能的二維自旋電子學(xué)材料。（3）第一性原理計算表明，超薄Bi(111)薄膜在某個臨界厚度會發(fā)生半金屬-半導(dǎo)體相變。同時最新的理論計算也顯示，超薄(<5BL)的Bi(111)薄膜是一種二維的拓?fù)浣^緣體。因此研究超薄 Bi(1

3、11)的電子能帶結(jié)構(gòu)、自旋結(jié)構(gòu)以及拓?fù)湫再|(zhì)對于了解這種二維材料的物理性質(zhì)和應(yīng)用具有重要的意義。
　　本文主要圍繞超薄 Bi(111)的電子結(jié)構(gòu)和自旋性質(zhì)以及背后所蘊(yùn)含的物理機(jī)理，利用分子束外延(MBE)、角分辨光電子能譜(ARPES)、自旋分辨角分辨光電子能譜(SR-ARPES)和第一性原理計算對其開展了系統(tǒng)研究，并取得了以下結(jié)果：
　　1）在Bi2Te3基底上，我們利用MBE制備出極高質(zhì)量的單個雙原子層的Bi(111)薄膜

4、。通過ARPES結(jié)合第一性原理計算，在Bi(111)/Bi2Te3的界面上發(fā)現(xiàn)了一種由Bi(111)的Rashba劈裂態(tài)和Bi2Te3本征狄拉克錐雜化而成的新的螺旋型狄拉克錐（Helical Dirac Cone）。在這個雜化狄拉克錐的狄拉克點(diǎn)附近發(fā)現(xiàn)了能帶重整為垂直拉長的無色散形態(tài)。我們發(fā)現(xiàn)，這種奇特的能帶重整效應(yīng)起源于強(qiáng)烈電子-電子多體相互作用。這是第一次利用能譜技術(shù)在類拓?fù)浣^緣體的螺旋型狄拉克錐發(fā)現(xiàn)強(qiáng)多體相互作用的存在。
　

5、　2）在Bi2Te3和Bi2Se3兩種不同基底上外延的單個雙原子層Bi(111)體系中，存在三種不同物理起源的螺旋型狄拉克錐:本征拓?fù)湫?，Rashba型以及雜化型。我們結(jié)合SR-ARPES和第一性原理計算發(fā)現(xiàn)，雖然三者的類型不同，但是其自旋構(gòu)型具有完全相同的軌道依賴性，決定它們自旋構(gòu)型的因素是是Rashba型自旋軌道耦合，和拓?fù)湫再|(zhì)無關(guān)。
　　3）我們研究了Bi(111)薄膜的電子結(jié)構(gòu)隨厚度的演化。在Bi2Te3基底上制備不同厚度