本征缺陷调控:一种实现拓扑晶体绝缘体的新途径

拓扑绝缘体自发现以来,不仅让人们对凝聚态物质有了更加深刻和全面的认识,而且以新奇的物理特性展现了在无耗散电子器件、自旋电子器件以及量子计算中应用的迷人前景。拓扑绝缘体在体内与通常认识的普通(平庸)绝缘体相似,但是它的边界或表面总是存在着导电的边缘态,该边缘态由对称性保护、可稳定存在,并且不同自旋的导电电子运动方向相反,因此可以通过自旋来传递信息,而不像传统半导体那样通过电荷传递信息。从物理机制上讲,拓扑绝缘体是时间反演对称性保护的拓扑态,而受晶格对称性保护的拓扑态被称为拓扑晶体绝缘体。相比于拓扑绝缘体,拓扑晶体绝缘体不受自旋-轨道耦合和时间反演对称性要求的束缚,这就减少了在真实晶体材料中实现拓扑晶体绝缘体的难度,使其更具应用前景。

在2011年由L. Fu等(Phys. Rev. Lett., 2011)提出拓扑晶体绝缘体的概念后不久,就有理论预言碲化锡(SnTe)是拓扑晶体绝缘体,它很快就被不同的实验所证实。碲化铅(PbTe)与SnTe很相似,都属于传统的IV-VI族化合物窄带隙半导体,但是理论和实验都表明本征PbTe只是平庸绝缘体,一个重要问题是能否通过物理调控把它转化为拓扑晶体绝缘体?对于这个问题曾有理论预言,通过施加应力或者形成合金等手段可以使普通绝缘体PbTe转变为拓扑晶体绝缘体,其中的关键在于实现PbTe能带的反转,例如,在PbTe中掺入SnTe形成PbSnTe合金,当Sn的组分超过临界值时它就变成拓扑晶体绝缘体,对通过压力使PbTe量子相变成拓扑晶体绝缘体的预言则尚无实验证据。SnTe拓扑晶体绝缘体存在一个明显缺点,即容易形成Sn空位缺陷使SnTe具有高块体载流子浓度,其对表面拓扑态输运特性的影响较大。因此找到其它方法来引发晶体能带反转、实现新的拓扑晶体绝缘体对于扩大拓扑晶体绝缘体家族是很有意义的。

最近,浙江大学物理学系吴惠桢课题组、袁辉球课题组和材料科学与工程学院的陆赟豪课题组合作提出了在PbTe晶体中引入碲反位 (TePb) 本征缺陷可引发能带反转的思想、并从实验上实现了一种新拓扑晶体绝缘体。该研究团队首先通过第一性原理计算预言了TePb缺陷引起PbTe能带反转和在高对称面上拓扑表面态的存在;实验上,他们通过分子束外延技术获得了TePb本征缺陷掺杂的[111]取向PbTe薄膜,然后在低温、强磁场下进行了量子输运实验,量子振荡实验确认了表面态的贝里相位是非平庸的,即表面电子具有狄拉克费米子特性,从而在实验上证明了拓扑表面态的存在。进一步压力下的PbTe: TePb量子输运实验发现施加压力会增大反转的能隙,从而减弱块体载流子对于整体输运的贡献。该项研究工作所发展的本征缺陷调控材料拓扑性质的方法可以应用于其他晶体材料,尤其是第VI主族化合物,从而可能帮助人们实现更多的拓扑材料。该项研究成果发表在 Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201803188) 。