拓扑绝缘体纳米结构的生长机制与形貌控制

拓扑绝缘体是一种新的量子物质态，这种物质态的体材料是有能隙的绝缘体，而其表面则是无能隙的金属态。目前发现的典型的拓扑绝缘体材料主要有Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3。拓扑绝缘体的发现有可能实现室温下低能耗的自旋电子器件和量子计算等的重大革命。纳米尺度拓扑绝缘体结构可以突出放大表面金属态，可望成为制备拓扑绝缘体器件的基础材料。最近实验表明，采用半导体纳米线生长的气-液-固制备方法可制备出Bi2Se3纳米线和纳米条带，但对于如何准确控制其形貌并实现预期的结构生长仍处在探索阶段，迫切需要认识其生长的理论机制以促进拓扑绝缘体的基础与应用研究。本项目将以Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3为研究对象，采用第一性原理计算和分子动力学模拟手段，深入研究气-液-固制备拓扑绝缘体纳米线和条带的生长机制，为实现有效制备各种拓扑绝缘体纳米材料和器件奠定基础。

拓扑绝缘体是一种新的量子物质态，这种物质态的体材料是有能隙的绝缘体，而其表面则是无能隙的金属态。目前发现的典型的拓扑绝缘体材料主要有Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3。拓扑绝缘体的发现有可能实现室温下低能耗的自旋电子器件和量子计算等的重大革命。纳米尺度拓扑绝缘体结构可以突出放大表面金属态，可望成为制备拓扑绝缘体器件的基础材料。.本项目采用采用第一性原理计算和分子动力学模拟手段，以及气相生长方法，对拓扑绝缘体纳米结构的生长机制进行了深入研究。制备出多种形貌和微观结构的Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3纳米片状结构，通过系统研究气压、蒸发温度、沉积温度、沉积时间、气流、衬底种类等多个工艺参数，对这类拓扑绝缘体纳米结构的生长机制探讨，并首次制备出具有螺旋型结构特征的Sb2Te3纳米片；借助扫描开尔文探针力显微镜，对多种拓扑绝缘体纳米结构的表面电势和电荷注入特性进行了研究，提出了通过改变Si基板的掺杂类型实现拓扑绝缘体费米能级的有效调制。同时，采用第一性原理计算模拟方法，深入考察了拓扑绝缘体应变效应，研究了石墨烯和Pd层衬底对Bi2Te3、Bi2Se3量子态的调制作用和反常的Rashba自旋劈裂行为，计算了本征缺陷和外来掺杂Cd、Ca原子对Bi2Se3结构和电子性质的影响。.另外，项目负责人在本项目预期研究计划的基础上，积极拓展其他范德瓦尔斯层状材料的研究工作。开展了MoS2薄膜结构、电学和磁学性质的掺杂和衬底效应；研究了石墨炔热整流器及其热传导特性；提出了一套预测超硬碳相的有效方法；设计并制备出多种石墨烯基复合结构并对其性能进行了深入研究。.在本项目的资助下，在Physical Review B、Applied Physics Letters等刊物上发表SCI论文36篇，引用200余次。研究成果将为实现有效制备各种拓扑绝缘体纳米材料和器件奠定基础。