狄拉克费米子的维度、掺杂效应及超晶格调控

南方科技大学量子科学与工程研究院陈朝宇课题组、国防科技创新研究院王振宇副研究员与南方科技大学物理系刘奇航课题组、北京计算科学研究中心的王建峰博士后等合作，在基于二维薄膜与异质结中实现狄拉克费米子能隙的维度、掺杂调控和狄拉克费米子费米速度的超晶格调控方向取得了系统性的进展。

近年来，基于拓扑物态发现和调控新奇准粒子元激发是凝聚态物理中的研究重点。Ⅴ-Ⅵ族拓扑绝缘体Bi₂Se₃体系是新奇拓扑量子物态的代表，其表面存在受体态拓扑性质保护的狄拉克费米子。基于其拓扑表面态已实现了诸多新奇的量子物理现象，比如量子反常霍尔效应（QAHE）、马约拉纳准粒子等。除了这些新奇的量子物理现象以外，拓扑绝缘体还是实现新型自旋扭矩器件、拓扑晶体管等原理型器件的基础。对于大部分的应用来说，利用可控层厚以及可控掺杂对其表面态进行能隙大小和掺杂水平调控是必需的。实现对Bi₂Se₃的表面态狄拉克费米子的可控层厚以及可控掺杂调控，不仅可以解决Bi₂Se₃表面态的演化机制问题，同时也将为基于Bi₂Se₃的实用型器件打下坚实的基础。

图1. (Bi_1-xIn_x)₂Se₃（0≤x＜1）薄膜能隙、表面态穿透深度的演化以及物态相图

前期，该团队采用分子束外延的方式在石墨烯衬底上生长出了层厚可控、成分可控的 (Bi_1-xIn_x)₂Se₃（0≤x＜1）薄膜。通过控制层厚以及In的掺杂量，可以精确调控该体系的表面态能隙以及拓扑性质。通过分析能隙的变化，发现Bi₂Se₃的表面态穿透深度随着In浓度的增加而增大，进而使得(Bi_1-xIn_x)₂Se₃薄膜三维到二维的维度交叉的厚度逐渐减小。上述实验结果很好的验证了这个理论上提出了很久的物理图像。最后，团队还给出了(Bi_1-xIn_x)₂Se₃薄膜随着In掺杂量和层厚变化的完整的物态相图，为未来的器件制备以及应用奠定了坚实的基础。值得一提的是，通过实验结果与理论计算的结合，该团队证明Bi₂Se₃体系在二维极限下表面态存在能隙的情况下，拓扑性质是平庸的，这与前期的一些理论所预测的拓扑性质随层数在平庸与非平庸之间振荡所图像不同。该工作于2019年发表在Nano Letters（Nano Lett., 2019, 19, 4627−4633）上。

值得关注的是，在x = 1的时候，该团队发现了一种新的石墨烯异质结体系，In₂Se₃/Graphene异质结体系。众所周知，基于石墨烯的异质结构因其众多新奇的量子物理特性，引起了凝聚态物理与材料科学的广泛关注。目前，在此领域人们研究最多的超晶格体系是Graphene/hBN异质结和转角石墨烯（TBG）。其中尤其是魔角石墨烯中存在关联绝缘态和非常规超导态，使该领域重新成为了研究的热点。

图2. In₂Se₃/Graphene 异质结的结构表征

虽然研究者们对魔角石墨烯进行了大量细致的工作，然而针对其狄拉克费米子精细电子结构的重整化的直接实验观测仍然缺乏，其非常规超导机制目前未有定论。这主要源于通过角分辨光电子能谱（ARPES）对该体系进行电子结构测量存在以下矛盾：一方面，需要高能量光子激发以覆盖到大的动量空间；另一方面，需要提供毫电子伏量级的能量分辨率，以精确表征电子结构重整化。目前的ARPES技术能力无法同时满足以上两个要求。

图3. In₂Se₃/Graphene 异质结中的摩尔条纹

与Graphene/hBN和TBG相比，In₂Se₃/Graphene 异质结具有以下显著优势：该异质结体系的摩尔狄拉克锥出现在石墨烯布里渊区中心附近，可以利用常规ARPES直接精细地研究狄拉克费米子电子结构的重整化。为探测和调控石墨烯异质结中新奇的量子物理特性提供了新的研究平台，将有望直接揭示摩尔狄拉克费米子重整化作用的物理机制。

通过ARPES探测，该团队从实验上直接观测到摩尔狄拉克费米子的费米速度下降了~23%，且新形成的狄拉克点被“拉长”。这些结果共同表明了In₂Se₃/Graphene强耦合作用下摩尔周期势场对低能狄拉克费米子产生了重整化作用。同时，在研究中发现In₂Se₃的铁电性极大地增强了In₂Se₃/Graphene的层间耦合作用，为构建其他类似的石墨烯异质结体系给出了明确的指导方向。

另外，In₂Se₃/Graphene异质结体系可采用MBE方式大规模制备，解决了另外两种异质结体系样品产量低、界面易污染等众多现实问题，为该领域的深入研究，尤其是进一步走向应用奠定了坚实的基础。

该工作于2021年发表在Advanced Materials 上，并且被编辑选为Inside Cover。

图4. In₂Se₃/Graphene 异质结的电子能带以及费米速度减小的直接观测

这两个工作的实验结果主要由国防科技创新研究院的王振宇副研究员以及南方科技大学的陈朝宇副研究员带领学生完成。理论工作由南方科技大学的刘奇航副教授团队以及北京计算科学研究中心的王建峰博士后分别完成。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Fermi Velocity Reduction of Dirac Fermions around the Brillouin Zone Center in In₂Se₃–Bilayer Graphene Heterostructures

Zhenyu Wang, Zhanyang Hao, Yayun Yu, Yuan Wang, Shiv Kumar, Xiangnan Xie, Mingyu Tong, Ke Deng, Yu-Jie Hao, Xiao-Ming Ma, Ke Zhang, Cai Liu, Mingxiang Ma, Jiawei Mei, Guang Wang, Eike F. Schwier, Kenya Shimada, Fufang Xu, Chang Liu, Wen Huang, Jianfeng Wang, Tian Jiang, Chaoyu Chen

Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202007503

导师介绍

刘奇航

https://www.x-mol.com/university/faculty/243039 

陈朝宇

https://www.x-mol.com/groups/chen_chaoyu