拓?fù)浣^緣體Bi2Te3薄膜摻雜的電子結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、拓?fù)浣^緣體是近年發(fā)現(xiàn)的一類不同于普通絕緣體和金屬的新型物質(zhì)態(tài)。拓?fù)浣^緣體的拓?fù)浔砻鎽B(tài)具有奇異的物理性質(zhì)，使得它具有很大的應(yīng)用潛力，引起人們廣泛的研究。目前，人們已經(jīng)預(yù)測和證實(shí)大量的拓?fù)浣^緣體材料的存在。但是實(shí)驗(yàn)環(huán)境中制備的拓?fù)浣^緣體存在大量的本征缺陷，體態(tài)很容易掩蓋掉表面態(tài)的拓?fù)湫再|(zhì)，從而實(shí)驗(yàn)上很難測量其表面態(tài)的輸運(yùn)性質(zhì)。針對這一問題，我們通過使用第一性原理計(jì)算方法，對二維Bi2Te3拓?fù)浣^緣體薄膜實(shí)施非磁性原子摻雜改性的設(shè)計(jì)，對其電子

2、結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的調(diào)控，獲得了一些有意義的結(jié)果，這些結(jié)果對實(shí)驗(yàn)上制備高質(zhì)量的本征Bi2Te3拓?fù)浣^緣體和研究拓?fù)漭斶\(yùn)性質(zhì)可以起到理論指導(dǎo)作用。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴研究了組份濃度比率 x分別為0、20％、80％、100％下，五層(Bi1-xSbx)2Te3薄膜電子結(jié)構(gòu)的變化。通過調(diào)節(jié)濃度比率 x，我們發(fā)現(xiàn)可以有效的調(diào)節(jié)費(fèi)米面和Dirac點(diǎn)的位置，而不會改變體系的拓?fù)湫再|(zhì)。隨著Sb濃度x的增大，體系Dirac點(diǎn)（DP）相對于體價(jià)帶

3、（BVB）不斷上升，體系從n型過渡為p型。當(dāng)x=80％時，Dirac點(diǎn)和費(fèi)米面都位于帶隙中間，且Dirac點(diǎn)在費(fèi)米面的附近，此時體態(tài)是真正絕緣體，從而獲得了理想拓?fù)浣^緣體。我們的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀測到的結(jié)果基本一致，從而很好地從理論上驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的正確性。⑵采用薄膜表面替換摻雜的方法，通過改變Bi(Te)的化學(xué)勢，可以有效的調(diào)節(jié)Bi2Te3薄膜電子結(jié)構(gòu)，獲得與體態(tài)分離的Dirac點(diǎn)，從而獲得可調(diào)控的表面態(tài)。在分別用VI元素Se、S、O摻雜替換Te

4、后，只有具有最大電負(fù)性和最小原子半徑的O原子，才能讓Dirac點(diǎn)與體價(jià)帶分離，Dirac點(diǎn)基本位于費(fèi)米面上，表面態(tài)具有比較完美的 Dirac錐，從而獲得理想的拓?fù)浣^緣體。在分別摻雜 III元素Tl、In、Ga、Al摻雜替換Bi的體系，它們都能讓Dirac點(diǎn)移動到體能隙中間，摻In和Al時，表面態(tài)具有比較完美的Dirac錐。而且摻雜替換后體系拓?fù)洳蛔兞?Z2不變，說明非磁性摻雜不會改變 Bi2Te3薄膜的拓?fù)湫?。我們對比不同原子摻雜替換后