[发明专利]一种拓扑绝缘体材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料的制备领域，具体涉及一种扑绝缘体材及其制备方法。

背景技术

按照电子态结构的不同，传统意义上的材料被分为“金属”和“绝缘体”两大类。而拓扑绝缘体是一种新的量子物质态，这种物质态的体电子态是有能隙的绝缘体，而其表面则是无能隙的金属态。不同于一般意义上的由于表面未饱和键或者是表面重构导致的表面态，拓扑绝缘体的表面金属态完全是由材料的体电子态的拓扑结构所决定，受对称性保护，因此基本不受到杂质与无序的影响。正是由于这些重要特征保证了拓扑绝缘体将有可能在未来的电子技术发展中获得重要的应用，有着巨大的应用潜在。寻找具有足够大的体能隙并且具有化学稳定性的强拓扑绝缘体材料成为了人们目前关注的重要焦点和难点。

2009年，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室与美国斯坦福大学深入合作，预言了一类新的强拓扑绝缘体材料系统(主要为V-VI族材料，如Bi₂Se₃，Bi₂Te₃和Sb₂Te₃)。他们从理论和计算上系统地探讨了这类材料成为强拓扑绝缘体的物理机制，给出了描述该狄拉克点的KP哈密顿量，并且计算了类APRES电子谱图。这类拓扑绝缘体材料有着独特的优点，即该类材料表面态中只有一个狄拉克点存在，是最简单的强拓扑绝缘体，这种简单性为理论模型的研究提供了很好的平台。此外，该类材料的体能隙很大，尤其是Bi₂Se₃(0.3电子伏)，远远超出室温能量尺度，这也意味着有可能实现室温低能耗的自旋电子器件(Zhong Fang，Shou-Cheng Zhang，et al.，Nature Physics，2009(5)：438-442)。

在理论研究的同时，相关的实验工作也取得重要进展。美国普林斯顿大学的M.Z.Hasan与R.J.Cava教授在Bi₂Se₃中观察到了表面态狄拉克点的存在(Y.Xia，D.Qian，D.Hsieh，L.Wray，A.Pal，H.Lin，A.Bansil，D.Grauer，Y.S.Hor，R.J.Cava，et al.，Nature Physics，2009(5)：398-402)。中科院物理所方忠、戴希研究组与斯坦福大学的Z.X.Shen教授研究组合作，利用ARPES观察到了Bi₂Te₃材料中的表面单个狄拉克点(Y.L.Chen，J.G.Analytis，J.-H.Chu，Z.K.Liu，S.-K.Mo，X.L.Qi，H.J.Zhang，D.H.Lu，X.Dai，Z.Fang，S.C.Zhang，I.R.Fisher，Z.Hussain，and Z.-X.Shen，Science，2009(325)：178-181)。除了对体相材料拓扑绝缘性质的研究，小尺度低维结构材料的设计合成及由尺寸效应引入的对电子自旋等性质的影响，则是人们关注该领域发展的另一重要方面。V-VI族纳米材料的合成，主要包括溶液相合成，如水热合成(Hongjie Zhang，et al.，J.AM.CHEM.SOC.，2006(128)：16490-16491)、微波合成(R.Harpeness，A.Gedanken，New J.Chem.，2003(27)：1191-1193)、电化学沉积(Xiaoguang Li，et al.，J.Phys.Chem.B，2005(109)：1430-1432)及超声电化学沉积(Xiaofeng Qiu，Clemens Burda，Ruiling Fu，Lin Pu，Hongyuan Chen，and Junjie Zhu，J.AM.CHEM.SOC.，2004(126)：16276-16277)，以及气相合成，如化学气相沉积(Hongkun Park，et al.，J.AM.CHEM.SOC.，2008，130，6252)及分子束外延生长(Molecular Beam Epitaxy，简称MBE)(Kehui Wu，et al.，Appl.Phys.Lett，2009(95)：053114-1～3)。传统的分子束外延生长及化学气相沉积法中，由于受复杂的制备工艺、昂贵的材料成本以及困难的后加工过程等因素的限制，往往难以高效的合成大量的小尺寸低维拓扑绝缘体材料，而由于电化学方法具有装置简易、材料成本低、耗能少，且易于通过调节电压等参数实现设计合成各种复杂的结构，在V-VI族低维小尺寸超晶格结构的合成中受到越来越广泛的重视(Wei Wang，Xiaoguang Li，et al.，J.Am.Chem.Soc.2007(129)：6702-6703；Xincun Dou，Guanghai Li，et al.，Nano Lett.，2008(8)：1286-1290；Wei Wang，Xiaoguang Li，et al.，J.Phys.Chem.C，2008(112)：15190-15194；F.H.Xue，G.T.Fei，B.Wu，P.Cui，and L.D.Zhang，J.Am.Chem.Soc.2005，127(44)，15348-15349)。然而，目前的电化学方法所合成的超晶格结构(主要为模板辅助电化学沉积V-VI族超晶格纳米线阵列)，仅能实现对材料径向尺寸(沿纳米线生长方向)的调控，对于不同片段轴向尺寸(垂直纳米线生长方向)的调控，乃至某一片段的选择性制备，是未见报道的。而这部分工作对材料拓扑绝缘性质的研究是十分重要的。