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北大拓扑绝缘体纳米材料光热电效应研究获突破

发布时间:2019-11-14 06:14:51

拓扑绝缘体的材料制备和量子输运特性是近年来国际研究前沿的一个热点。在众多拓扑绝缘体材料中,Bi2Se3是拓扑绝缘体家族中一种重要的三维强拓扑绝缘体。拓扑绝缘体纳米结构因其巨大的比表面积和增强的表面电导贡献非常有利于探索拓扑绝缘体奇异表面态的物理性质和开发拓扑绝缘体在自旋电子学等方面的潜在应用。

北京大学物理学院俞大鹏“纳米结构与低维物理”研究团队的青年教师廖志敏副教授带领研究生在拓扑绝缘体Bi2Se3纳米材料制备、量子输运性质和光热电性质等方面取得系列新进展。他们通过化学气相沉积法可控合成了各种Bi2Se3纳米结构,在量子输运测量中观测到Shubnikov-de Haas(SdH)振荡,分析表明存在Berry相位π,这是拓扑绝缘体表面狄拉克费米子的重要特征(Scientific Reports 3,1264,2013);此外,他们在低温强磁场条件下系统研究了单个Bi2Se3纳米片的输运性质,发现其载流子迁移率高达104cm2/Vs,并且在14特斯拉强磁场下观察到高达400%尚无饱和迹象的正磁阻效应,揭示了磁电阻与迁移率之间的相互关系(Applied Physics Letters 103,033106,2013);磁输运测量对于揭示拓扑表面态的物理性质具有重要意义,但是在垂直磁场下,SdH振荡总是叠加在一个很大的线性磁阻背景上,这为分析表面狄拉克费米子的输运行为带来困难,他们通过外加平面内磁场,测量到明显的SdH振荡,而没有正磁阻背景,确认了来源于Bi2Se3纳米片侧面表面态的量子输运(Scientific Reports 4,3817,2014)。

通过圆偏振光可以选择性激发拓扑绝缘体的表面态,从而产生自旋极化的表面态,由于自旋方向与动量方向的锁定关系,样品中会产生电子定向运动的光电流。Bi2Se3也是一个很好的热电材料,在非均匀的光辐照下,会产生光热电效应。最近,该研究团队协同创新,与北京大学国际量子材料科学中心孙栋教授、清华大学物理系周树云教授(ARPES测量)、比利时安特卫普大学的G. V. Tendeloo 教授和柯小行博士(球差矫正电镜原子分辨结构研究)、北京理工大学吴汉春教授等合作,观测到Bi2Se3中圆偏振光增强的光热电效应,该结果有望用于自旋极化的电流源的产生。相关工作以“Topological Surface State Enhanced Photothermoelectric Effect in Bi2Se3 Nanoribbons”为题,在线发表在Nano Letters (DOI: 10.1021/nl501276e,2014)上,北大物理学院博士生严缘为该论文的第一作者。

图1 上:Bi2Se3纳米带的球差矫正透射电镜的原子分辨结构图像以及室温下测量的角分辨光电子谱ARPES (Nano Letters DOI: 10.1021/nl501276e,2014);下:起源于Bi2Se3纳米带侧壁(Sidewall)表面态输运的SdH振荡(Scientific Reports 4,3817,2014)

图2 拓扑绝缘体Bi2Se3中圆偏振光增强的光热电效应 (Nano Letters DOI: 10.1021/nl501276e,2014)

上述研究工作得到了人工微结构与介观物理国家重点实验室、量子物质科学协同创新中心、国家973计划和国家自然科学基金的大力支持。

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