【摘要】：拓?fù)浣^緣體是一種新的量子物態(tài)。二維拓?fù)浣^緣體材料體內(nèi)為有能隙的絕緣態(tài),邊緣為無能隙的金屬態(tài)。這種無能隙的邊緣態(tài)來源于其體能帶結(jié)構(gòu)的拓?fù)浞瞧接剐再|(zhì),受到時(shí)間反演對(duì)稱性的保護(hù)。它具有自旋—?jiǎng)恿挎i定關(guān)系,非磁性雜質(zhì)的背散射是嚴(yán)格禁止的。這些新奇的性質(zhì)使二維拓?fù)浣^緣體在自旋電子學(xué)器件、拓?fù)淞孔佑?jì)算等方面有非常重要的應(yīng)用前景。目前,理論上預(yù)言了很多材料是二維拓?fù)浣^緣體。其中不少材料被預(yù)測(cè)為人們一直尋找的理想二維拓?fù)浣^緣體,它們具有較大的體能隙,可以應(yīng)用于室溫等環(huán)境。同時(shí),還具有電子結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單和拓?fù)湎嗫烧{(diào)控等性質(zhì)。然而,大多數(shù)理論預(yù)言的二維拓?fù)浣^緣體材料都有待實(shí)驗(yàn)證實(shí)。在本論文中,我們選擇以理論上預(yù)言的兩種理想二維拓?fù)浣^緣體——WTe_2和Bi(111)薄膜為研究對(duì)象,利用掃描隧道顯微鏡/譜(Scanning Tunneling Microscopy/Spectroscopy,STM/S)表面分析技術(shù)和分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,MBE)薄膜生長方法,對(duì)于兩種材料可能存在的拓?fù)溥吔鐟B(tài)進(jìn)行研究。同時(shí),對(duì)在MBE生長Bi薄膜過程中得到的Bi(110)/NbSe_2異質(zhì)結(jié)新奇電子態(tài)進(jìn)行了研究。本論文主要取得了以下研究結(jié)果:(1)在解理的1T′-WTe_2塊材樣品上發(fā)現(xiàn)其邊界具有一維的局域邊界態(tài)。這種邊界態(tài)對(duì)邊緣結(jié)構(gòu)和取向不敏感,表現(xiàn)出魯棒性,表明該邊界態(tài)具有拓?fù)浞瞧接沟男再|(zhì)。結(jié)合第一性原理計(jì)算,我們進(jìn)一步證實(shí)了實(shí)驗(yàn)觀察到的邊界態(tài)是拓?fù)浞瞧接沟?它來源于單層1T′-WTe_2拓?fù)浞瞧接沟碾娮咏Y(jié)構(gòu)。因?yàn)閃Te_2層間是很弱的vdW相互作用,它沒有改變單層1T′-WTe_2的拓?fù)湫再|(zhì)。這個(gè)結(jié)果為單層1T′-WTe_2是二維拓?fù)浣^緣體提供了間接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。另外,實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)解理的1T′-WTe_2樣品中有較多內(nèi)嵌的納米帶,納米帶兩邊的疇界表現(xiàn)出面內(nèi)電極化效應(yīng)。(2)利用MBE方法,在超導(dǎo)襯底2H-NbSe_2單晶上制備了原子級(jí)平整、大面積的高質(zhì)量Bi(111)薄膜。對(duì)Bi(111)薄膜邊緣結(jié)構(gòu)和局域電子態(tài)的研究發(fā)現(xiàn),Bi(111)薄膜的臺(tái)階存在兩種無磁性的邊緣結(jié)構(gòu),分別是Zigzag邊界和2×1重構(gòu)邊界。其次,在兩種構(gòu)型的邊界上都存在一維的拓?fù)溥吔鐟B(tài),兩種邊界的拓?fù)溥吔鐟B(tài)在能量尺度和實(shí)空間上表現(xiàn)有所不同,證明可以通過修飾邊界結(jié)構(gòu)來修改拓?fù)溥吔鐟B(tài)的表現(xiàn)形式。在不同厚度Bi(111)薄膜的單層臺(tái)階邊界上都觀察到了一維拓?fù)溥吔鐟B(tài),包括薄膜厚度大于理論預(yù)言的拓?fù)湎嘧兣R界厚度。結(jié)合第一性原理計(jì)算和微擾理論分析,證明了雙原子層(Bilayer,BL)Bi(111)的拓?fù)溥吔鐟B(tài)與Bi襯底的厚度無關(guān)。襯底厚度增加改變了整個(gè)體系的拓?fù)湫再|(zhì),但是1BL Bi(111)體能帶的拓?fù)浞瞧接剐再|(zhì)依然保留,所以Bi(111)薄膜的拓?fù)溥吔鐟B(tài)總是存在的。另外,我們還在Bi(111)2BL高的邊界觀察到了一維拓?fù)溥吔鐟B(tài)。最后,由于超導(dǎo)近鄰效應(yīng),Bi(111)薄膜內(nèi)部和邊界上誘導(dǎo)出了超導(dǎo)態(tài)。邊界可能具有拓?fù)涑瑢?dǎo)的性質(zhì),將邊界態(tài)打斷后有可能探測(cè)到馬約拉納零能態(tài)。(3)利用MBE方法,在超導(dǎo)襯底2H-NbSe_2單晶上制備了原子級(jí)平整的類炓磷結(jié)構(gòu)Bi(110)薄膜。對(duì)Bi(110)薄膜結(jié)構(gòu)和電子態(tài)的研究發(fā)現(xiàn),Bi(110)薄膜的電子態(tài)受到薄膜厚度的縱向調(diào)制和莫爾條紋的橫向調(diào)制。密度泛函理論(Density Functional Theory,DFT)計(jì)算的結(jié)果表明,Bi(110)/NbSe_2異質(zhì)結(jié)界面和Bi-Bi層間具有較強(qiáng)的準(zhǔn)共價(jià)鍵相互作用。正是界面和層間的準(zhǔn)鍵相互作用,導(dǎo)致Bi薄膜的電子態(tài)受縱向和橫向的調(diào)制。由于第二層Bi(110)薄膜費(fèi)米能級(jí)附近有很高的局域態(tài)密度,導(dǎo)致在第二層Bi(110)薄膜上觀察到了超導(dǎo)近鄰效應(yīng)增強(qiáng)的反常行為。同理,可推測(cè)第二層Bi(110)薄膜具有非常大的塞貝克系數(shù),有很好的熱電性質(zhì)。另外,這種層間準(zhǔn)鍵相互作用的效應(yīng)還可以推廣到其他的二維層狀材料雜化體系中,屆時(shí)更多的復(fù)雜量子現(xiàn)象將有可能被觀察到。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O469

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本文編號(hào)：2794547