纳米自旋电子材料与器件团队
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博士研究生李胜世在Bi(110)薄膜的量子自旋霍尔效应调控上取得新进展,相关结果发表在 ACS Applied Materials & Interfaces上


  近年来,二维拓扑绝缘体已经成为了凝聚态物理和材料科学方面重要的研究领域。 然而,到目前为止,大部分的研究成果仅仅局限于理论预测,实验合成则面临着很多的困难和挑战。最近,具有黑磷结构的Bi(110)薄膜被成功制备,其边缘态也通过STM被成功观测到,实验上取得重大突破。众所周知,薄膜与衬底之间的化学异质性和晶格失配会产生界面应变和电荷转移。作为仅有的实验上制备的二维拓扑绝缘体之一,研究Bi(110)薄膜的拓扑性对于这两种因素的鲁棒性就变的极其重要。

  课题组基于第一性原理计算,系统地研究了Bi(110)薄膜在外界应力和电场下可控的电子性质和拓扑性。对于平面应力,我们发现单独的面内压力和面外拉力所造成的自掺杂现象会限制薄膜的拓扑性。但是,将面内和面外应力结合起来后,上述的影响则会消除,并且Bi(110)薄膜的体态带隙可以在很大的范围内得到调控。除此之外,对于施加双轴面内应力的情况,我们会发现两种拓扑机制的转换,即键态—反键态和px,y—pz 的能带反转。研究表明,薄膜的拓扑性所能承受的最大电场为0.9V/Å。 同时,通过施加合适的面内应力,我们发现双层Bi(110)薄膜同样具有非平庸的拓扑相。这项研究成果不仅对于未来的实验进程有一定的推动作用,并且对于基于Bi薄膜的自旋电子学器件的发展具有重要意义。

  该工作由山东大学物理学院颜世申教授与济南大学物理科学与技术学院张昌文教授合作培养的博士研究生李胜世完成。本工作获得了国家自然科学基金 (Nos. 11434006)、国家重点基础研究发展计划(Nos. 2013CB922303 和2015CB921502)和111项目(No. B13029)的资助。

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