Bi₂(Te_1-xSe_x)拓扑绝缘体纳米带的双极化场效应

　　拓扑绝缘体不同于传统意义上的“金属”和“绝缘体”，它是一种全新的量子物质态。这种物质态的体电子态是有能隙的绝缘体，而表面则是由于自旋轨道耦合作用产生的由时间反演对称性保护的无能隙的表面电子态。这种无能隙的表面金属态完全是由材料体电子态的拓扑结构对称性所决定的。目前，最受关注的是Bi₂Se₃、Bi₂Te₃及Sb₂Te₃等第二代三维拓扑绝缘体材料。尽管目前在拓扑绝缘体领域已报道了大量实验工作，但理论预言的很多重要而有趣的性质和现象还仍然没有被实验观测到，影响拓扑绝缘体实验工作进展的主要挑战是难以获得高质量的拓扑绝缘体样品。通常制备出来的样品都会因为存在缺陷导致费米能级处于导带或价带，从而使得导电体态掩盖了材料的表面态。

　　最近，沈阳材料科学国家(联合)实验室磁性材料与磁学研究部王振华副研究员、张志东研究员和美国凯斯西储大学高翾教授研究组合作通过气相化学沉积(CVD)的方法成功制备了Bi₂Te₃和不同Se含量掺杂的Bi₂Te₃的纳米片和纳米线/带，对纳米结构拓扑绝缘体表面态的保护进行了初步研究。发现当Bi₂Te₃纳米片厚度在10纳米左右时，拉曼光谱在93cm-1和113cm-1出现两个代表反演对称破缺的红外振动模式峰。在表面覆盖PMMA或经过一系列程序制备纳米器件后，这两个振动峰还仍然存在。但是如果把制备的纳米片转移到另一个相同的基片上，这两个峰则消失。说明所制备的纳米片与基片间存在一定的相互作用。随着Bi₂Te₃纳米带中Se含量的增加，Bi₂Te₃纳米带导电性可从金属性转变到半导体性质，说明Se的掺杂可以提高纳米带的质量，有效地抑制了缺陷导致的导电体效应，同时提高了表面效应。利用栅极电压可使半导体导电从N型转为P型，而且纳米带厚度对栅极电压的调制有很大影响，其厚度越小N型到P型转变越明显，并且在较高温度也可观察到这种转变。如图是不同厚度样品的电阻随外加栅电压在不同温度下变化的关系曲线，显示了随栅电压的改变电性从N型转为P型的双极化场效应。

　　在化学气相沉积的Bi₂(Te_1-xSe_x)的纳米带中发现双极化场效应，说明通过掺杂和控制纳米带的厚度可以有效地降低体态对表面态的影响，对于拓扑绝缘体相关的基础性质和最终应用有着重要意义。相关的工作已发表在ACS Nano 7 (2013) 2126，

该项工作的全文链接: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn304684b