拓扑晶体绝缘体Pb1-xSnxTe薄膜的分子束外延生长及其电子性质研究

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拓扑晶体绝缘体是近来新发现的一类拓扑量子态。和拓扑绝缘体不同的是,它的狄拉克表面态受晶格的点群对称性而非拓扑绝缘体中的时间反演对称性保护。因此,位于不同对称性表面上的狄拉克表面态的拓扑性质会不一样。那么,在实验上验证这种新奇拓扑相的存在对建立这个新的拓扑晶体绝缘体概念起到了至关重要的作用。在本论文中,我们利用MBE、STM、ARPES和PPMS研究了拓扑晶体绝缘体Pb1-xSnxTe薄膜的生长动力学及其新奇的电子性质。  (1)利用MBE技术,在Si(111)和STO(001)衬底上我们成功制备了原子级平整的Pb1-xSnxTe(001)薄膜,并建立了它的生长动力学条件。由于和衬底晶格的失配,原位的RHEED、STM和ARPES证明了薄膜具有夹角为45°的双畴结构。原位ARPES测量表明SnTe是拓扑晶体绝缘体,而和它具有相同结构的PbTe是平庸的绝缘体。另外,通过改变薄膜厚度、衬底温度和Pb的掺杂量,我们实现了对Pb1-xSnxTe(001)薄膜的能带结构及其费米能级的调控。  (2)拓扑晶体绝缘体的晶格对称性让研究不同表面取向的拓扑性质变得格外有意义。在生长在Si(111)上的Bi2Te3薄膜衬底,我们利用MBE方法成功合成了高质量的Pb1-xSnxTe(111)单晶薄膜,并利用原位ARPES研究了它的拓扑性质。Pb1-xSnxTe(111)薄膜随着Sn/Pb比例的增加,会经历从平庸绝缘体到拓扑晶体绝缘体的拓扑相变过程,并伴随着n型掺杂到p型掺杂的转变。另外,当Pb1-xSnxTe(111)薄膜厚度减小到二维极限时,由于上下两个表面态波函数发生交叠、产生相互耦合作用会在原来具有线性能带的地方打开了一个能隙。  (3)对于未来在自旋电子学器件的应用,从输运角度探究拓扑晶体绝缘体的拓扑性质是至关重要的。我们利用MBE方法分别在STO(111)和BaF2(111)衬底上制备了Pb1-xSnxTe(001)和(111)薄膜,并系统的研究了它们的输运性质。通过改变Pb的含量,我们在磁输运上发现薄膜会发生从弱反局域化到弱局域化的转变,这意味着薄膜从拓扑晶体绝缘体转变为了平庸的绝缘体。
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