拓扑绝缘体和超导体异质界面的研究

发布时间：2018-03-16 10:00

本文选题：拓扑绝缘体　切入点：超导体　出处：《上海交通大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：Majorana费米子服从非阿贝尔统计规律,其反粒子与其自身完全等价。固体中的Majorana费米子可以用来实现容错的拓扑量子计算,近几年吸引了很多凝聚态物理研究者参与到探究与探寻Majorana费米子的研究中。理论预言,将超导体的超导性(库珀对)引入到拓扑绝缘体中,可形成拓扑超导体,在此体系中可发现Majorana费米子。在本论文中,利用分子束外延技术和扫描隧道显微镜(STM),并辅助以角分辨光电子能谱(ARPES),我们研究了在传统超导体NbSe2衬底上生长的拓扑绝缘体薄膜的超导近邻效应以及在NbSe2衬底上生长的Bi薄膜的性质。论文主要取得了以下研究成果:(1)利用分子束外延(MBE)方法,将拓扑绝缘体Bi2Se3薄膜生长在s波超导衬底NbSe2上,成功构建了超导体/拓扑绝缘体单晶超结构。利用扫描隧道显微镜,在NbSe2衬底上,对Bi2Se3外延生长的初始过程以及对界面的晶体结构进行了详细的研究。我们发现在第一层的Bi2Se3生成之前,会首先自发地产生一个BiSe的界面层。通过对STM形貌的分析,辅以第一性原理计算,我们确定了该界面层的晶体基本结构为NaCl型。我们发现该界面层的存在可以解决NbSe2衬底和Bi2Se3外延薄膜之间的晶格失配问题,这也证明了该界面层存在的合理性和必然性。通过扫描隧道显微谱(STS),我们发现在Bi2Se3薄膜上的通过超导近邻效应所产生的超导能隙随薄膜厚度的增大而呈现出指数衰减的变化趋势。在外加磁场下,超导能隙随着磁场的增大显著减小,且其STS谱的相干峰也随之明显减弱。通过在400mK和4.2K两种温度下的实验对比,我们发现400mK下的谱线相干峰更强,同时超导能隙更明显。这一系列的实验数据表明,在NbSe2上构建的Bi2Se3薄膜具有超导电性。我们进一步通过ARPES的实验,证实了此薄膜上拓扑表面态的存在。因此,我们在Bi2Se3薄膜上观察到了超导能隙和拓扑表面态的共存。这一研究结果为在凝聚态领域中探测与利用Majorana费米子提供了新的研究平台。(2)我们研究了Sb2Te3薄膜在超导衬底NbSe2上的生长工艺,得到了高质量的Sb2Te3薄膜,通过对薄膜表面电子朗道能级的测量和分析,确定了Sb2Te3薄膜Dirac点形成的关键厚度为4QL,还研究了Dirac点的位置随着薄膜厚度的变化关系。随后又进一步生长了(Bi1-xSbx)2Te3薄膜,通过Bi的掺杂,我们逐渐将费米能级调到位于体能隙之中的Dirac点附近。进一步,通过对超导能隙以及超导涡旋态芯态的STS测量,我们发现费米能级相对于体能隙的位置对超导近邻效应有很大的影响,该影响甚至超过了薄膜厚度对于近邻效应的影响。这证明体能带对于体系超导近邻效应起到了主要作用,而拓扑表面态虽然对超近邻效应贡献微弱,但却是产生拓扑超导体和Majorana费米子所不可或缺的重要部分。(3)最后,我们还研究了Bi薄膜在NbSe2衬底上的生长,我们发现第一层为Bi薄膜为(110)晶向,随着薄膜厚度的继续增加,Bi薄膜表面晶向将发生由(110)到(111)的转变。利用STM,我们对Bi薄膜的这一转化过程的形貌和电子性质进行了详细地研究,尤其对Bi(110)表面的原子分辨和摩尔条纹进行了详细的研究。利用ARPES,我们对转变前后的表面能带进行了测量,发现对于Bi(110)表面,无法得到表面的电子能谱,而继续生长至薄膜表面晶向转化为Bi(111)后,则可得到表面的能带色散以及费米面的信息。我们着重对Bi(111)表面能带进行了研究。理论上预言单层的Bi薄膜是二维的拓扑绝缘体,我们的研究工作有助于人们对于Bi薄膜电子性质及其拓扑性质的研究。
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【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O484

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