拓?fù)浣^緣體的材料制備和量子輸運(yùn)特性是近年來國際研究前沿的一個(gè)熱點(diǎn)。在眾多拓?fù)浣^緣體材料中，Bi2Se3是拓?fù)浣^緣體家族中一種重要的三維強(qiáng)拓?fù)浣^緣體。拓?fù)浣^緣體納米結(jié)構(gòu)因其巨大的比表面積和增強(qiáng)的表面電導(dǎo)貢獻(xiàn)非常有利于探索拓?fù)浣^緣體奇異表面態(tài)的物理性質(zhì)和開發(fā)拓?fù)浣^緣體在自旋電子學(xué)等方面的潛在應(yīng)用。

　　北京大學(xué)物理學(xué)院俞大鵬“納米結(jié)構(gòu)與低維物理”研究團(tuán)隊(duì)的青年教師廖志敏副教授帶領(lǐng)研究生在拓?fù)浣^緣體Bi2Se3納米材料制備、量子輸運(yùn)性質(zhì)和光熱電性質(zhì)等方面取得系列新進(jìn)展。他們通過化學(xué)氣相沉積法可控合成了各種Bi2Se3納米結(jié)構(gòu)，在量子輸運(yùn)測量中觀測到Shubnikov-de Haas(SdH)振蕩，分析表明存在Berry相位π，這是拓?fù)浣^緣體表面狄拉克費(fèi)米子的重要特征(Scientific Reports 3，1264，2013);此外，他們在低溫強(qiáng)磁場條件下系統(tǒng)研究了單個(gè)Bi2Se3納米片的輸運(yùn)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其載流子遷移率高達(dá)104cm2/Vs，并且在14特斯拉強(qiáng)磁場下觀察到高達(dá)400%尚無飽和跡象的正磁阻效應(yīng)，揭示了磁電阻與遷移率之間的相互關(guān)系(Applied Physics Letters 103，033106，2013);磁輸運(yùn)測量對于揭示拓?fù)浔砻鎽B(tài)的物理性質(zhì)具有重要意義，但是在垂直磁場下，SdH振蕩總是疊加在一個(gè)很大的線性磁阻背景上，這為分析表面狄拉克費(fèi)米子的輸運(yùn)行為帶來困難，他們通過外加平面內(nèi)磁場，測量到明顯的SdH振蕩，而沒有正磁阻背景，確認(rèn)了來源于Bi2Se3納米片側(cè)面表面態(tài)的量子輸運(yùn)(Scientific Reports 4，3817，2014)。

　　通過圓偏振光可以選擇性激發(fā)拓?fù)浣^緣體的表面態(tài)，從而產(chǎn)生自旋極化的表面態(tài)，由于自旋方向與動量方向的鎖定關(guān)系，樣品中會產(chǎn)生電子定向運(yùn)動的光電流。Bi2Se3也是一個(gè)很好的熱電材料，在非均勻的光輻照下，會產(chǎn)生光熱電效應(yīng)。最近，該研究團(tuán)隊(duì)協(xié)同創(chuàng)新，與北京大學(xué)國際量子材料科學(xué)中心孫棟教授、清華大學(xué)物理系周樹云教授(ARPES測量)、比利時(shí)安特衛(wèi)普大學(xué)的G. /V. Tendeloo 教授和柯小行博士(球差矯正電鏡原子分辨結(jié)構(gòu)研究)、北京理工大學(xué)吳漢春教授等合作，觀測到Bi2Se3中圓偏振光增強(qiáng)的光熱電效應(yīng)，該結(jié)果有望用于自旋極化的電流源的產(chǎn)生。相關(guān)工作以“Topological Surface State Enhanced Photothermoelectric Effect in Bi2Se3 Nanoribbons”為題，在線發(fā)表在Nano Letters (DOI: 10.1021/nl501276e，2014)上，北大物理學(xué)院博士生嚴(yán)緣為該論文的第一作者。

圖1 上：Bi2Se3納米帶的球差矯正透射電鏡的原子分辨結(jié)構(gòu)圖像以及室溫下測量的角分辨光電子譜ARPES (Nano Letters DOI: 10.1021/nl501276e，2014);下：起源于Bi2Se3納米帶側(cè)壁(Sidewall)表面態(tài)輸運(yùn)的SdH振蕩(Scientific Reports 4，3817，2014)

圖2 拓?fù)浣^緣體Bi2Se3中圓偏振光增強(qiáng)的光熱電效應(yīng) (Nano Letters DOI: 10.1021/nl501276e，2014)

    上述研究工作得到了人工微結(jié)構(gòu)與介觀物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、國家973計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金的大力支持。