Science:Bi/SiC—高温量子自旋霍尔材料的有望候选者
【引言】
量子自旋霍尔材料是拓扑绝缘体材料中最具代表的二维材料,其存在边缘电导通道,可防止某些类型的散射,是无损自旋电流革命性器件的希望。但由于其能隙小,所以需要在低温下应用(低于液态氦气)才能避免载流子的热激发。因此,通过增大材料的能隙值,将热操作极限提升到室温以上是器件性能改善的重点之一。
【成果简介】
近日,德国维尔茨堡大学J. Schäfer(通讯作者)在Science上发表了一篇题为“Bismuthene on a SiC substrate: A candidate for a high-temperature quantum spin Hall material”的文章。研究人员通过外延生长技术在SiC(0001)上沉积了单层蜂窝状结构的Bi,制备得到了 Bi/SiC材料。使用扫描隧道光谱,检测到该材料具有约~0.8 eV的间隙和与理论一致的导电边缘态。预期通过优化外延生长,可在室温下应用。
【图文解读】
图一Bi/SiC(0001)结构模型
(a)Bi/SiC(0001)原子堆放顺序图示;
(b)Bi完全覆盖SiC基片的拓扑STM顶示图;
(c)基片台面高度轮廓,沿(B)红色线,台面高度对应SiC台面;
(d)Bi的蜂窝结构;
(e)Bi的蜂窝结构形成阶段STM图像: 左边: 占据态; 右边: 空态。
图二理论能带结构与ARPES测量
(a)利用HSE交换泛函进行自旋 - 轨道耦合密度泛函理论能带结构计算,虚线为价带;
(b)ARPES布里渊区能带分布,K点为价带最大值和价带分裂与理论预测相吻合点,分光计费米能级设为0;
(c)闭合ARPES,在宽动量范围内,具有大诱导自旋-轨道耦合分裂的K点为价带最大值;
(d)不同结合能的ARPES恒定能量表面,低结合能切面密度最高,对应价带最大值,图谱与六方晶格K与K’点六重简并结构一致。
图三Biσ能带低能有效模型电子结构计算
(a)s、p轨道对Bi电子结构的作用(无自旋-轨道耦合);在各图中,图示大小正比于轨道的相对重量;以EF为准,Bi/SiC PX-和PY-轨道表明轨道分解;
(b)低能有效模型的电子结构(无自旋-轨道耦合);
(c)K点处,强原子自旋-轨道耦合夹杂产生巨大能隙;
(d)Rashba效应增大价带极值,诱导反向自旋特性分裂。
图四基片台面边缘态隧道谱
(a)距边缘不同距离处的微分电导dI/dV;插图:基片上坡台面产生边界处为STM测量位置;颜色编码点与光谱颜色相关;
(b)通过相同台面的空间分解 dI/dV数据,间隙态dI/dV数据在膜边缘处达到峰值,灰色虚线为dI/dV最大值;
(c)台面z(x)线剖面图与Bi dI/dV数据。
【小结】
本文研究表明了基片对于控制2D量子自旋霍尔绝缘体相关轨道具有决定性作用。在Bi/SiC材料体系中,Bi单层轨道与基片共价键合产生了较大的拓扑能隙,使复合体系稳定化,可在常温下应用。该项研究成果开创了增大量子自旋霍尔材料能隙的新方法,即通过使用V族元素作为基片,形成单层-基片复合材料,大幅度提高了量子自旋霍尔材料的拓扑能隙。
文献链接:Bismuthene on a SiC substrate: A candidate for a high-temperature quantum spin Hall material(Science, 29 June, 2017, DOI: 10.1126/science.aai8142 )
本文由材料人编辑部陈炳旭编译,赵飞龙审核,点我加入材料人编辑部。
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