[论文解读] Relocation of the topological surface state of Bi$_{2}$Se$_{3}$ beneath the surface by Ag intercalation

M. Ye, С. В. Еремеев+17 more|arXiv (Cornell University)|Dec 26, 2011

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究证明，银原子插入Bi₂Se₃的 quintuple 层之间，导致范德华间隙扩大并使最上层脱离。这使得拓扑表面态移至脱离的 quintuple 层之下，从而使其免受表面污染影响，同时诱导出局域的平凡能带，实现对故障容错量子器件中受保护的狄拉克费米子态的保护。

ABSTRACT

We studied the Ag-intercalated 3D topological insulator Bi$_{2}$Se$_{3}$ by scanning tunneling microscopy/spectroscopy and angle-resolved photoemission spectroscopy, combined with a first principles calculations. We demonstrate that silver atoms deposited on the surface of Bi$_{2}$Se$_{3}$ are intercalated between the quintuple layer (QL) units of the crystal, causing a expansion of the van der Waals gaps and the detachment of topmost QLs from the bulk crystal. This leads to a relocation (in the real space) of the the topological state beneath the detached quintuple layers, accompanied by the emergence of parabolic and "M-shaped" trivial bands localized above the relocated topological states. These novel findings open a pathway to the engineering of Dirac fermions shielded from the ambient contamination and may facilitate the realization of fault-tolerant quantum devices.

研究动机与目标

• 研究 Ag 沉积在 Bi₂Se₃ 表面时引起的结构与电子效应。
• 确定 Ag 掺杂是否能够改变三维拓扑绝缘体中拓扑表面态的空间位置。
• 探索因层脱离和掺杂引起的间隙扩大而出现的新电子态。
• 评估掺杂 Bi₂Se₃ 在防止拓扑态受环境散射方面的能力。
• 建立通过可控掺杂在拓扑绝缘体中工程化屏蔽狄拉克费米子的路径。

提出的方法

• 在 78 K 下使用低温 STM 系统和 W 金属探针，在恒电流模式下进行扫描隧道显微镜/谱学（STM/STS）测量。
• 采用角分辨光电子能谱（ARPES）映射 Ag 沉积后 Bi₂Se₃ 表面的电子能带结构。
• 采用从头算密度泛函理论（DFT）计算模拟掺杂 Ag 后范德华间隙扩大的 Bi₂Se₃ 的电子结构。
• 理论模型包括在第一和第二范德华间隙中单层和双层 Ag 掺杂，模拟最上层 quintuple 层的脱离。
• 分析电荷密度分布和轨道特征（特别是 p_z 轨道），以识别表面态的局域化位置。
• 使用锁相技术在 1.0 kHz 和 10 mV 调制下采集微分电导图和空间分辨 STS 谱。

实验结果

研究问题

• RQ1 Ag 沉积在 Bi₂Se₃ 上如何导致原子插入并引起范德华间隙的结构改变？
• RQ2 Ag 掺杂和层脱离后，拓扑表面态的空间位置如何变化？
• RQ3 在重新定位的拓扑表面态上方出现了哪些电子态，其特征如何？
• RQ4 脱离的 quintuple 层的电子结构与自由悬浮的超薄层相比有何异同？
• RQ5 该掺杂体系是否能够容纳受表面污染屏蔽的受保护狄拉克费米子？

主要发现

• Ag 原子插入 Bi₂Se₃ 的 quintuple 层之间，使范德华间隙扩大 36%，并使最上层 quintuple 层与体相脱离。
• 拓扑表面态移至脱离的 quintuple 层之下，向晶体内部更深位置移动，从而免受表面吸附物影响。
• 在导带最小值以下出现抛物形平凡能带，局域于脱离的 quintuple 层内，电荷密度中心位于 Bi 原子上。
• 在价带间隙中出现 M 形平凡能带，局域于扩大后的范德华间隙界面处，具有 Se 原子的 p_z 轨道特征。
• ARPES 测量证实了在投影的体相带隙中存在两条抛物形能带和两条 M 形能带，与 DFT 预测一致。
• 狄拉克锥在新界面处保持完整，但位置下移，尽管间隙扩大程度增加，其自旋纹理仍保持不变。