具有{100}晶面的拓扑晶态绝缘体Pb1-xSnxSe纳米线

        拓扑晶态绝缘体(TCIs)是一种新的拓扑态。它的金属表面态受晶格对称性保护。高对称性晶面如{100}, {110}和{111}面具有四个狄拉克锥。自理论预言SnTe和PbxSn1-x(Se/Te)为拓扑晶态绝缘体以来,它们迅速引起了全球研究者的关注。 角分辨光电能谱已经证实SnTe和PbxSn1-x(Se/Te)表面狄拉克锥体的存在。有趣的是PbxSn1-x(Se/Te)表面态可通过成分、温度和应压力来调控。这意味着PbxSn1-x(Se/Te)将在可调谐电子和自旋电子学器件领域发挥巨大作用。相比块状拓扑绝缘体,纳米结构拓扑绝缘体具有更大比表面积,大的比表面积可显著增加表面态对输运的贡献。尤其对于拓扑晶态绝缘体而言,获得具有高对称性面的纳米结构是实施拓扑表面电输运的关键。

        国家纳米科学中心何军课题组首次合成了拓扑晶态绝缘体Pb1-xSnxSe纳米线,当使用表面化学钝化的云母为生长基底时,可获得矩形棱柱状的纳米线,纳米线展现高对称性的{100}表面。相关结果发表在Small上。

        基底表面电子结构对晶体生长过程具有重要影响,该研究团队发现当使用单晶硅作为生长基底时,仅能得到圆柱形的Pb1-xSnxSe纳米线。硅表面有大量的悬挂键,因此晶体生长过程必须考虑晶格匹配。而Pb1-xSnxSe与硅的(100)面的晶格失配达到12.3%,严重阻碍了吸附原子在硅表面外延生长,因而缓冲层首先在硅片表面形成用于释放界面张力。尽管如此,缓冲层表面并非原子级平整,并且具有较大的粗糙度,因而在低熔点锡做催化剂的情况下,纳米线在纵向方向的生长仍然受到阻碍。因此Pb1-xSnxSe纳米线的形状仅受球形锡催化剂的限制,形成了球形纳米线结构。然而当使用表面钝化的云母为生长基底时,却得到了矩形棱柱状纳米线结构,纳米线表面是高对称性的{100}面。云母是层状材料,表面没有悬挂键,因而晶体生长过程不受晶格失配的影响。研究发现纳米线直接在云母表面形成,不需要缓冲层。尤其是吸附原子与云母基底具有弱的范德华作用,吸附原子可较为自由的在生长基底表面迁徙,纳米线在纵向方向的生长也不受约束。因而纳米线形状不受球形锡催化剂的限制,在纵向方向上生长成方形结构,最终形成了矩形棱柱状的纳米线,纳米线表面是具有高对称性的{100}面。电输运研究表面矩形棱柱状Pb1-xSnxSe纳米线具有半导体电输运特性并在低温下展现出金属性。该研究提供了一种调控晶体生长的方法,同时具有{100}晶面的矩形棱柱状Pb1-xSnxSe纳米线将为拓扑表面输运研究和自旋电子学器件的应用奠定基础。