A-brief-introduction-of-Topological-insulator-a

拓扑绝缘体薄膜和有限尺寸效应及其在催化剂领域的应用Outline拓扑绝缘体简介拓扑绝缘体薄膜和有限尺寸效应拓扑绝缘体在催化剂领域的应用拓扑绝缘体简介拓扑绝缘体是一种新的量子物态。拓扑绝缘体是一类非常特殊的绝缘体，从理论上分析，这类材料的体内的能带结构是典型的绝缘体类型，在费米能级处存在着能隙，然而在该类材料的表面则总是存在着穿越能隙的狄拉克型的电子态，因而导致其表面总是金属性的。【1】拓扑绝缘体简介表面态和体结构的性质不同，是拓扑绝缘体的突出特点。由于能带通过拓扑的方式表征，拓扑绝缘体有可能显示出对细节不敏感的物理性质。拓扑绝缘体简介量子霍尔效应是一个典型的拓扑绝缘体的例子，但它是在强磁场下发生的。具有强自旋轨道耦合的窄带半导体在不加外磁场的情况下，也有可能成为拓扑绝缘体。如最近研究很多的Bi2Se3，Bi2Te3，Sb2Te3.拓扑绝缘体简介这些材料的体能带在费米能级处具有能隙，但由于体能带独特的拓扑性质，在其表面或与普通绝缘体的界面上，却总是具有无能隙的表面或界面态，这种表面或界面态类似于石墨烯的能带结构，具有线性色散关系的狄拉克锥形状Surfacestates:Traditionalvs.topological图片来自文献17ValencebandConductionbandValencebandConductionbandEFEFTherobustnessoftopologicalsurfacestatesmakesitpossibleforapplicationinless-constrainedenvironments.Traditionalmaterialsw/surfacestatesTopologicalinsulatorsbulk拓扑绝缘体薄膜和有限尺寸效应拓扑绝缘体分为二维拓扑绝缘体和三维拓扑绝缘体。二维拓扑绝缘体具有一维的拓扑边界态，三维的拓扑绝缘体具有二维的拓扑表面态。Bi2Se3家族的材料是目前研究最多的三维拓扑绝缘体，这个家族里有Bi2Se3，Bi2Te3和Sb2Te3。这是因为这类材料具有较大的体能隙和简单的表面能带结构，并且容易制备。拓扑绝缘体薄膜和有限尺寸效应目前只有HgTe量子阱在实验上被证明是二维拓扑绝缘体。寻找新的二维拓扑绝缘体是目前的主要问题之一。拓扑绝缘体薄膜和有限尺寸效应文【1】表明三维拓扑绝缘体在很薄的时候有可能转变为二维拓扑绝缘体，这种转变伴随着二维拓扑绝缘体相和普通绝缘体相之间的随厚度的交替转变。也就是说，如果将Bi2Se3家族的拓扑绝缘体材料制成薄膜，并能对其厚度进行精确控制，就有可能获得二维拓扑绝缘体材料。Bi2Se3薄膜生长的控制文【1】介绍到，他们选择6H-SiC为衬底生长Bi2Se3薄膜，在生长过程中，通常把衬底温度控制Tsub控制在介于Bi和Se源的温度之间，即TseTsubTBi,而将Bi与Se的束流比控制在1:10左右，由于衬底温度高于Se源的蒸发温度，所以蒸发出的Se原子分子不能单独吸附在光滑的石墨烯表面，只有当Bi原子吸附在衬底表面时，Se才会与Bi反应形成化合物。因此，薄膜的最终生长速率由Bi的束流决定的。富硒的的生长环境可以有效地减少Bi2Se3薄膜的Se空位密度，从而降低电子掺杂的浓度。【2】薄膜能带结构随厚度的变化Bi2Se3薄膜的能带结构随薄膜厚度变化规律如下：（1）薄膜厚度小于6QL时，原本无能隙的表面态开始出现一个明显的能隙。6QL时还有一个明显的狄拉克点，5QL开始，能隙出现并随厚度的减小开始变大。（2）当薄膜厚度介于2QL和6QL之间时，除了存在能隙外，上表面态还发生了明显的劈裂，它是一种类似于Rashba型的劈裂。（3）除了薄膜层厚度小于6QL时的能隙和类Rashba劈裂外，薄层薄膜的化学势也随膜厚变化。从1QL到6QL的Bi2Se3薄膜的ARPES谱（a）-（e）和对应的能量分布曲线（EDC）（f）-（h），从中可以清楚地看到狄拉克表面态的能隙打开和Rashba型的劈裂。【4】拓扑绝缘体薄膜和有限尺寸效应当拓扑绝缘体变得很薄的时候一个表面的表面态电子会隧穿过体能隙到达另一个表面．因此两个表面的表面态波函数会发生交叠．假设一个自由的Bi2Se3薄膜的模型,不考虑衬底的影响其两个表面,具有相同的化学势这样两个表面的狄拉克表面态在动量空间是完全重叠的.对于非狄拉克点位置的能态两个表面态相同动量和能量的电子具有不同的自旋因此当两个表面态在实空间逐渐交叠时只是产生自旋简并并不会产生能带色散关系的变化拓扑绝缘体薄膜和有限尺寸效应薄膜形态的拓扑绝缘体的一个突出特点是，其电子和自旋结构受厚度，表面，界面等因素的影响很大，因此可以方便的通过控制这些参数来。拓扑绝缘体在催化剂领域的应用ExoticpropertiesofthetopologicalsurfacestatesSurfacequantumHalleffectTopologicalmagnetoelectriceffectSuperconductingproximityeffectWhatcanwedousingsuchROBUSTsurfacestates?拓扑绝缘体在催化剂领域的应用何为‘electronbath’？Metalatomssittingonsemiconductorsurfacescandonateoracceptelectronsasan“electronbath”.Thisextrachargetransferdictatesthesurfacereconstruction.CatalysisatNanoscaleHighsurfaceareaPhysical/chemicalpropertiesabsentinbulkmaterialCatalystperformancesensitivetoparticlesize18TheSystem3/14/202020Se1QuintupleLayer(QL)Bi1unitcellTopologicalinsulatorBi2Se3Topologicalsurfacestates(Se-surface)Gapatgammapointduetocouplingbetweentwofacingsurfaces.3/14/202021Energy(eV)1unitcell(3QL)2unitcell(6QL)Topologicalsurfacestates(Bi-surface)RemovingonetoplayerofSeatoms.BetterforAuadsorption.Topologicalsurfacestates(TSS)existonBi-surfaceaswell.Lifteddegeneracyoftopandbottomsurfacestates.ElectrondopingduetofewerSe.3/14/202022removeAuadsorptiononBi2Se3(III)SurvivalofTSSTSSsurviveseventhoughthesurfaceisburiedundertheAufilm3/14/202023NoSOCSOCCO/O2adsorptionenhancedafterturningonTSS0.200.160.030.030.03~0EnhancementisnotduetotheSOCofAuWhyenhanced?3/14/202025COO2OccupationofCOantibonding2π*stateisdecreasedCOprefersfewerelectronsOccupationofO2antibondingπ*stateisincreasedO2prefersmoreelectronsForstrongerbinding,COandO2requireoppositedirectionsofchargetransferTopologicalsurfacestatesastheelectronreservoir3/14/202026TSSACCEPTelectronsTSSDONATEelectronsCOO2Summary拓扑绝缘体还有很多性质，包括巨磁阻效应，在块对称下的螺旋状表面态等许多性质，提供很多可调控特性。通过拓扑绝缘体的量子薄膜为探索诸多量子现象提供了材料基础，同时人们在拓扑绝缘体薄膜中预言了巨大的热电效应和激子凝聚现象，加上其电子，自旋结构和拓扑性质的可调控性，使得拓扑绝缘体在应用方面有很广的前景。参考文献【1】张翼.何珂.马旭村.薛其坤.拓扑绝缘体薄膜生长和栅电压调控输运特性研究.物理第40卷第7期2011【2】YonghongZhao.YibinHu.LeiLiu.YuZhu.HongGuo.HelicalStatesofTopologicalInsulatorBi2Se3.nanoletters【3】【4】=123拓扑绝缘体是一类非常特殊的绝缘体，由于自旋－轨道相互作用（相对论效应），在这类绝缘材料的表面总是存在着无质量狄拉克型的电子态，因而其表面总是金属性的、导电的。电子是导电的载体，除了负有电荷以外，它还具有一种自旋的性质，就如同地球绕着太阳运转，而地球本身也在自转一样。在目前广泛使用的计算机芯片中，电子的自转状态是不确定的。电子从晶体管的一端走到另一端的过程中，就如同要穿过一个杂乱无章的迪斯科舞场，不可避免地会发生碰撞，碰撞就会发热，就会耗散热量。在拓扑绝缘体中，电子自转方向与电流方向之间存在着确定的关系。不同方向运动的电子像高速公路上相向行驶的汽车一样各行其道，互不干扰，从而使能量耗散很低。拓扑绝缘体的独特性质使其在低能耗电子器件和容错量子计算等领域具有潜在的重要应用价值，有可能对未来的信息技术产生革命性的影响。因此，拓扑绝缘体一经发现就迅速引起物理学、材料科学等领域科学家的极大兴趣，是目前物理学的一个前沿研究方向。