[发明专利]二维拓扑绝缘体及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种二维拓扑绝缘体，所述二维拓扑绝缘体是以Al₂O₃(0001)面为衬底生长的蜂窝状III‑V族化合物单层膜。本发明还公开了所述二维拓扑绝缘体的制备方法和应用。本发明的二维拓扑绝缘体，具有良好拓扑绝缘性，衬底上的原子结构也非常稳定，能在高于室温的条件下保持拓扑绝缘性。

技术领域

本发明涉及拓扑绝缘体材料技术领域，具体涉及一种二维拓扑绝缘体及其制备方法。

背景技术

在常规固体理论中，根据导电性能的差异，固体材料可分为金属、半导体和绝缘体。2006年，理论物理学家预测了一种新型的固体材料——拓扑绝缘体。从那以后，关于拓扑绝缘体的研究成为了凝聚态物理和材料科学领域的研究热点。拓扑绝缘体与普通绝缘体的主要区别在于其内部为绝缘体，而在表面或边界上因为相对论效应会形成量子化的带自旋手性的电流，此即拓扑绝缘体特有的边界态。这种边界态具有拓扑不变性，能忍受一定程度的扰动，电流输运过程中零能损耗，因此在下一代自旋电子器件和量子计算等方面，有着巨大的应用前景。目前包括我国在内的世界各国都在这一基础应用研究领域投入了巨大的人力和财力，展开密集和深入的研究。

拓扑绝缘体分为二维拓扑绝缘体和三维拓扑绝缘体。其中三维拓扑绝缘体相对容易制备，在实验研究方面进展迅速。但是，三维拓扑绝缘体难以投入应用，因为其有严重的缺点，如表面导电性能太好从而不易控制其输运性质、材料本身容易产生缺陷从而形成N型或P型的常规半导体等。相反，二维拓扑绝缘体的边界态很纯净且只有几个原子层厚度，在将来纳米尺度的电子器件中应用有天然优势。然而，二维拓扑绝缘体却难以制备。近几年来，寻找具有实用前景的二维拓扑绝缘体成拓扑绝缘体研究的一个重要方面。在理论方面，科学家预言了很多二维拓扑绝缘体，比如石墨烯、硅烯、锗烯、锡烯等。但在实验方面的相关研究进展并不大。这主要是因为在实验上这些二维拓扑绝缘体材料都只能在金属衬底上才能制备，而此时金属衬底完全破坏了它们的拓扑绝缘性。

因此，如何有效制备二维拓扑绝缘体材料，并且使其具有良好的拓扑绝缘性，是目前在二维拓扑绝缘体材料研究领域中亟需解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种二维拓扑绝缘体，该二维拓扑绝缘体具有良好拓扑绝缘性，衬底上的原子结构也非常稳定，因此能在高于室温的条件下保持拓扑绝缘性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种二维拓扑绝缘体，所述二维拓扑绝缘体是以Al₂O₃(0001)面为衬底生长的蜂窝状III-V族化合物单层膜。

作为优选，所述单层膜是采用分子束外延法在Al₂O₃(0001)衬底上生长得到的。

作为优选，所述III-V族化合物为GaBi、InBi、TlAs、TlSb或TlBi。

本发明另一方面提供了所述的二维拓扑绝缘体的制备方法，包括以下步骤：

提供Al₂O₃(0001)作为衬底；和

采用分子束外延法在所述衬底上外延生长蜂窝状III-V族化合物单层膜，即得到所述二维拓扑绝缘体。

作为优选，所述提供Al₂O₃(0001)作为衬底具体为：

提供Al₂O₃单晶基片，挑选出具有Al₂O₃(0001)表面的基片，清洗以去除表面的污染物，放置于分子束外延设备中作为衬底。

作为优选，采用X射线衍射法测量所述Al₂O₃单晶基片，以挑选出具有Al₂O₃(0001)表面的基片。