【學以精工】北理工在拓撲絕緣體納米材料的光熱電效應研究方面的新進展
發布日期：2015-01-04 供稿：大學生記者團 高彬彬
編輯：新聞中心 王征 閱讀次數： 近期，北理工物理學院吳漢春研究員所參與的拓撲絕緣體納米材料的光熱電效應研究課題，在《Nano Letters (DOI: 10.1021/nl501276e，4389，2014)》上，發表了題為《Topological Surface State Enhanced Photothermoelectric Effect in Bi2Se3 Nanoribbons》的論文，引起業內關注。吳漢春研究員的研究由北京大學物理學院俞大鵬“納米結構與低維物理”研究團隊共同完成，并與北京大學國際量子材料科學中心孫棟教授、清華大學物理系周樹云教授（ARPES測量）、比利時安特衛普大學的G. V. Tendeloo 教授和柯小行博士（球差矯正電鏡原子分辨結構研究）形成了國際化的研究團隊，他們共同合作完成了這一有關光熱電效應的創新性研究課題。這一課題主要圍繞新材料物理特性的研究開展，并將其應用于自旋極化載流子源產生方法的研究領域。
自旋電子學（Spintronics）是研究電子自旋屬性的電子學分支領域，它具有廣泛的應用前景，例如硬盤磁頭技術就是自旋電子學領域中，最早商業化的研究應用，在磁性隨機內存、自旋場發射晶體管、自旋發光二極管等也有很大的應用潛力。此外，電子自旋共振（ESR）也應用于固態物理、化學以及生物醫學領域等多個方面。
自旋電子學的應用常需要能夠產生自旋極化的載流子源，近年來，對于自旋極化載流子源產生方法的研究一直受到物理學界的重視。而通過對新材料物理特性的研究，是一種創新的研究思路，這其中拓撲絕緣體是重點研究材料之一。拓撲絕緣體作為一種新的量子物質狀態，其內部與普通絕緣體相同，但邊界或表面總是存在導電邊緣態，并且具有非平庸的自旋和磁電特性。對拓撲絕緣體的研究有望為自旋極化的電流源的產生提供新的途徑。
吳漢春研究員所在的科研團隊就是將硒化鉍（Bi2Se3）這種重要的三維強拓撲絕緣體作為研究對象。硒化鉍（Bi2Se3）因具有穩定、易制備、能系較大等特點，成為近年來研究的熱點。同時，硒化鉍（Bi2Se3）也是很好的熱電材料，在非均勻的光輻照下，會產生光熱電效應。
由此特性，只需要對拓撲絕緣體表面分子結構進行有效控制，使之可以量化，因其內部絕緣特性，因此在光電效應作用下，其產生的電子全部來自于表面分子結構，由于其基本結構的可控性，就可以量化的分析出其所生成的自旋電子情況，一種可量化研究的自旋電子載流子源，其科研前景十分廣闊。
在這一思路下，該研究團隊利用化學氣相沉積法（CVD），將硒化鉍（Bi2Se3）制備成便于實驗中使用的納米帶和納米片?；瘜W氣相沉積法可以使反應物質在氣態條件下發生化學反應，從而在加熱的固態基體表面生成固態物質沉積，是一種制得固體材料的工藝技術。
針對制備好的實驗材料，選取一橫斷面樣本，使用高角度環形暗場-掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)進行表征，可以清楚地觀察到沿[100]帶軸的五元組層（QL）的序列−Se−Bi-Se−Bi−Se−的基本單元。利用角分辨光電子能譜（ARPES，利用光電效應研究固體的電子結構）觀察硒化鉍（Bi2Se3）的表面態。
線性偏振光、左旋偏振光和右旋偏振光對拓撲絕緣體Bi2Se3光熱電效應的影響
通過阿哈拉諾夫玻姆效應（Aharonov−Bohm，AB效應，證明電磁場的矢勢有直接的可觀測的物理效應）和舒勃尼科夫―德哈斯效應（Shubnikov-de Haas，SdH振蕩，固體材料的電阻（磁阻）隨磁場的倒數呈周期性振蕩的現象）測出拓撲絕緣體表面的狄拉克費米子（滿足狄拉克方程的費米子，費米子即自旋為半整數（1/2，3/2…）的粒子）性質。使用圓偏振光（CPL）來選擇性激發硒化鉍（Bi2Se3）表面態電子，產生自旋極化的表面態，由于自旋方向與動量方向的鎖定關系，樣品中會產生電子定向運動的光電流。同時也觀測到Bi2Se3中圓偏振光增強的光熱電效應。該實驗結果有望用于自旋極化的電流源的產生，將進一步推動對自旋電子學在生活中的應用。
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