拓扑绝缘体表面态鲁棒性的同步辐射和第一性原理研究

Topological insulators possess surface states with special properties so they can be employed in spintronic devices and fault-tolerant quantum computation. The topological order is very robust due to the time-reversal symmetry protection; however, the properties of surface states such as dispersion and spin texture are sensitive to the detail conditions of surface..In this project,based on our previous research,we are going to grow topological insulator films in ultrahigh vacuum systems with molecular beam epitaxy and deposit specific molecules or atoms onto the surface as a probe to study the robustness and the evolution of surface states upon some typical actions with synchrotron radiation combined with first-principles calculation. To oxidize the topological insulator films with control and study the evolution of atomic structures and surface electronic structures with XRD and ARPES,respectively; deposit alkali metals onto ultrathin topological insulator films with various thicknesses and study surface band structure and spin texture with linearly polarized and circularly polarized ARPES,respectively; deposit metal atoms with substantial SOC effect onto topological insulator films and explore the effect of surface spin-orbital coupling on the surface state properties.. We can systemically understand the robustness and evolution of the properties of the surface states of topological insulators with the surface conditions and pave the way for the design and fabrication of devices based on topological insulator films.

拓扑绝缘体因具有性质奇特的表面态而在自旋电子器件、容错量子计算等领域具有针对性应用。其拓扑序受对称性保护是非常稳定的，但最新的研究显示拓扑表面态的色散、自旋结构等却敏感地依赖于表面条件。.本项目在前期研究基础上利用MBE在超高真空系统中制备Bi2Se3等拓扑绝缘体薄膜并在其表面沉积特定原子或分子为探针、利用同步辐射ARPES结合第一性原理计算研究表面态在各类典型作用下的鲁棒性和性质演变。通过控制实验条件氧化拓扑绝缘体薄膜并利用XRD、ARPES研究薄膜原子结构和电子结构演变；在不同厚度的超薄膜表面沉积碱金属，利用线偏振光和圆偏振光ARPES研究能带结构和表面态自旋结构的变化；在薄膜表面沉积自旋轨道耦合效应显著的金属原子，利用ARPES和第一性原理研究表面SOC作用对表面态的影响。.通过研究可以系统理解拓扑表面态在各种典型作用下的鲁棒性和性质演变，为拓扑绝缘体薄膜器件设计和制作奠定基础。

拓扑绝缘体具有不同于普通材料的体能带拓扑性质。它具有由自旋轨道耦合作用引起的能带反转所导致的拓扑非平庸特性，与此相对应的是拓扑绝缘体薄膜的表面存在受对称性保护的、高度自旋极化的无能隙表面态。由于表面态自旋与动量之间的手性关系，表面态电子的背向散射是被禁止的，因此拓扑绝缘体薄膜有望在未来高速、低能耗的自旋电子器件中被加以应用。由于受对称性保护，表面态具有很高的鲁棒性，表面非磁性杂质的微扰都不能将其去除。但是已有一些工作显示，表面态的性质会随着表面条件的不同而发生变化，显示了拓扑表面态可调控的一面。利用理论和实验的方法来系统地研究拓扑表面态在各种表面作用下的鲁棒性和性质的演化规律对于我们深入了解表面态性质，利用表面修饰来优化表面态电子性质，对于促进真实器件的设计是非常有意义的。.在本项目中我们利用基于第一性原理的方法和角分辨光电子能谱等实验手段研究了以Bi2Se3为代表的拓扑绝缘体薄膜表面电子态在氧化、碱土金属沉积、表面自旋轨道耦合效应等情况下表面态的鲁棒性和性质演变。结果表明，Bi2Se3薄膜表面氧化后，Dirac点的位置会随着氧化程度的增加而向导带边移动，与报道的实验结果能很好地吻合。Bi2Se3表面沉积Ca原子之后，由于表面态与Ca 4pz轨道的相互作用使得原本自旋简并的4pz轨道高度自旋极化。自旋极化后的4pz电子在Ca原子层外侧形成一层类似自由电子的电荷层，可以作为自旋信号的输运通道。当金属层厚度增加时，拓扑表面态与金属薄膜中的量子阱态相互耦合，使得拓扑平庸的量子阱态也具有了特殊的自旋结构，而且拓扑表面态也演变成了拓扑界面态，这一界面态在金属层中缓慢衰减，这可以作为自旋流的通道，同时也便于我们利用表面金属层来优化自旋输运通道的性质。当拓扑绝缘体表面覆盖绝缘体材料时，覆盖层的自旋轨道耦合强度会对拓扑界面态的电荷分布、自旋结构、Dirac点位置等产生显著影响。当表面层的自旋轨道耦合强度刚好达到Dirac半金属相变点时各项性能达到最优状态。这一拓扑绝缘体与Dirac半金属的复合结构非常有希望在自旋电子器件中被加以利用。.通过本项目的研究我们基本掌握了拓扑表面态在氧化、金属沉积、表面自旋轨道耦合等作用下的鲁棒性和性质变化规律，为基于拓扑绝缘体薄膜自旋电子器件的设计、制作提供了有益的参考。