拓扑绝缘体二维纳米材料的可控制备与物性研究

本项目将着重于拓扑绝缘体二维纳米材料的可控制备和物性探讨。主要研究材料为Bi2Se3, Bi2Te3, Sb2Te3，通过固-气机制，利用管式炉，在不同衬底上制备高质量、厚度可控、均一、1QL及以上、形状规则、大尺寸的二维纳米薄片。结合各种实验手段对拓扑绝缘体进行表征，对拓扑绝缘体二维纳米材料表面态新奇的物理性质进行研究、传导性质进行高精度测量。研究拓扑绝缘体表面态的新奇的物理性质和物理现象，探讨因维数效应产生的新奇物理现象，结合理论研究理解拓扑绝缘体的物理机制。按照项目的不同侧重点和研究手段的不同，本项目按照材料可控制备、物性研究、传导性质的高精度测量三个方面展开研究。

拓扑绝缘体是一种全新的量子功能材料，其块材内部是有带隙的绝缘态，表面或边界存在无能隙的金属态，表现为无质量的狄拉克费米子。拓扑绝缘体(如Bi2Se3，Bi2Te3，Sb2Te3）纳米薄片是一种新型准二维晶体，它独特的二维层状结构和拓扑保护的表面金属态显示出许多优异的物理化学性质。我们立足于解决拓扑绝缘体纳米结构的可控制备、物性研究及其应用探索的基本问题，在拓扑绝缘体二维纳米材料可控制备、物性研究及其应用探索等方面研究取得了重要进展。具体而言：（1）提出了利用“范德华外延”法生长拓扑绝缘体，建立了两套生长拓扑绝缘体二维纳米薄片的气相沉积装置。（2）实现了拓扑绝缘体二维纳米材料的层数、畴区尺寸、晶型、及生长位置可控的批量生长，并研究了Raman光谱和拓扑绝缘体纳米薄片的层数依赖关系；发展纳米结构光电材料的原位表征思路和技术，集材料生长、化学修饰、物性表征和测量技术为一体，了解纳米中的结构与器件性能之间的构效关系。（3）利用“掩模版”和“等离子体刻蚀”选择性处理云母衬底，控制成核位点，实现了拓扑绝缘体Bi2X3单晶纳米结构的定点和定向纳米阵列的控制生长。发展了普适性的印章法定点生长，实现了拓扑绝缘体二维纳米结构阵列的大面积、批量化的定点生长。为拓扑绝缘体的应用奠定了良好的材料基础。（4）通过同步辐射角分辨光电子能谱（ARPES）直接观察到管式炉体系制备的拓扑绝缘体二维纳米薄片的狄拉克锥形拓扑表面态。（5）实现了外场对拓扑绝缘体二维纳米薄片化学势的调控。（6）对拓扑绝缘体薄膜进行了Hall bar器件加工及低温输运测量。获得了相相干长度、载流子浓度、迁移率等重要参数。探究了不同温度及高磁场条件下体系各重要物理参数的变化趋势，包括相相干长度、迁移率等的温度依赖关系，并解释了其背后的物理内涵。（7）提出并实现了拓扑绝缘体纳米薄片制作柔性透明导电薄膜的思想，率先在柔性透明绝缘的云母衬底上气相外延生长出大面积高质量的拓扑绝缘体纳米薄片，并发现基于拓扑绝缘体纳米结构的透明柔性导电薄膜有着宽波长范围内的透光性（尤其是近红外区）、高导电性、很好的抗扰动能力、和出色的柔性，为拓扑绝缘体在光电子和纳电子学应用奠定了基础。共发表SCI检索学术论文6篇，其中影响影子大于10的论文3篇，占论文总数的50 %，综述文章2篇，包括Nature Chemistry 1篇、J. Am. Chem. Soc