納米自旋電子材料與器件團隊
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博士研究生李勝世在Bi(110)薄膜的量子自旋霍爾效應調控上取得新進展,相關結果發表在 ACS Applied Materials & Interfaces上


  近年來,二維拓撲絕緣體已經成為了凝聚态物理和材料科學方面重要的研究領域。 然而,到目前為止,大部分的研究成果僅僅局限于理論預測,實驗合成則面臨着很多的困難和挑戰。最近,具有黑磷結構的Bi(110)薄膜被成功制備,其邊緣态也通過STM被成功觀測到,實驗上取得重大突破。衆所周知,薄膜與襯底之間的化學異質性和晶格失配會産生界面應變和電荷轉移。作為僅有的實驗上制備的二維拓撲絕緣體之一,研究Bi(110)薄膜的拓撲性對于這兩種因素的魯棒性就變的極其重要。

  課題組基于第一性原理計算,系統地研究了Bi(110)薄膜在外界應力和電場下可控的電子性質和拓撲性。對于平面應力,我們發現單獨的面内壓力和面外拉力所造成的自摻雜現象會限制薄膜的拓撲性。但是,将面内和面外應力結合起來後,上述的影響則會消除,并且Bi(110)薄膜的體态帶隙可以在很大的範圍内得到調控。除此之外,對于施加雙軸面内應力的情況,我們會發現兩種拓撲機制的轉換,即鍵态—反鍵态和px,y—pz 的能帶反轉。研究表明,薄膜的拓撲性所能承受的最大電場為0.9V/Å。 同時,通過施加合适的面内應力,我們發現雙層Bi(110)薄膜同樣具有非平庸的拓撲相。這項研究成果不僅對于未來的實驗進程有一定的推動作用,并且對于基于Bi薄膜的自旋電子學器件的發展具有重要意義。

  該工作由山東大學物理學院顔世申教授與濟南大學物理科學與技術學院張昌文教授合作培養的博士研究生李勝世完成。本工作獲得了國家自然科學基金 (Nos. 11434006)、國家重點基礎研究發展計劃(Nos. 2013CB922303 和2015CB921502)和111項目(No. B13029)的資助。

    文章鍊接地址:ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 21515−21523:http://dx.doi.org/10.1021/acsami.7b02818