[论文解读] Tailoring the electronic texture of a topological insulator via its surface orientation

Lucas Barreto, Wendell Simões e Silva+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2013

Topological Materials and Phenomena参考文献 34被引用 7

一句话总结

本研究证明，通过控制表面取向，可以调控拓扑绝缘体的电子态纹理，实验实现了具有三个狄拉克锥而非一个的Bi1-xSbx (110)表面，与理论预测一致。该工作揭示了拓扑狄拉克费米子中一种新型的谷自由度，通过表面晶体学控制拓展了拓扑量子材料的设计可能性。

ABSTRACT

Three dimensional topological insulator crystals consist of an insulating bulk enclosed by metallic surfaces, and detailed theoretical predictions about the surface state band topology and spin texture are available. While several topological insulator materials are currently known, the existence and topology of these metallic states have only ever been probed for one particular surface orientation of a given material. For most topological insulators, such as Bi$_{1-x}$Sb$_{x}$ and Bi$_2$Se$_3$, this surface is the closed-packed (111) surface and it supports one topologically guaranteed surface state Dirac cone. Here we experimentally realise a non closed-packed surface of a topological insulator, Bi$_{1-x}$Sb$_{x}$(110), and probe the surface state topology by angle-resolved photoemission. As expected, this surface also supports metallic states but the change in surface orientation drastically modifies the band topology, leading to three Dirac cones instead of one, in excellent agreement with the theoretical predictions but in contrast to any other experimentally studied TI surface. This illustrates the possibility to tailor the basic topological properties of the surface via its crystallographic direction. Here it introduces a valley degree of freedom not previously achieved for topological insulator systems.

研究动机与目标

• 实验验证表面取向可从根本上改变拓扑绝缘体的拓扑电子态纹理。
• 克服长期以来仅能研究(111)表面取向的局限性。
• 在非(111)表面（特别是Bi1-xSbx (110)）上，证明多个狄拉克锥和复杂费米面轮廓的存在。
• 建立一种在基底上外延生长高质量(110)取向拓扑绝缘体薄膜的方法，以支持未来表面工程。
• 验证非(111)表面在不同时间反演不变点（Γ、M、X1）处存在多个表面态狄拉克锥的理论预测。

提出的方法

• 通过电子束蒸发Bi和Sb并实现原位组分控制，在Bi(110)基底上外延生长Bi1-xSbx (110)薄膜。
• 利用光子能量为14–32 eV的角分辨光电子能谱（ARPES）确认表面态色散关系和动量依赖性。
• 采用紧束缚模型和格林函数方法，并基于Teo等人（2008年）的插值方法，模拟表面能带结构和谱函数。
• 系统调节薄膜厚度和组分（x ≈ 0.14），以优化表面质量和拓扑特性。
• 采用高能量分辨率和高角度分辨率ARPES（优于20 meV和0.2°）以区分表面态与体相投影。
• 通过原位Ne+离子溅射和退火处理，实现原子级清洁的(110)表面，为外延生长做准备。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过选择非(111)表面取向，能否调控拓扑绝缘体的电子态纹理？
• RQ2 Bi1-xSbx (110)表面是否支持多个狄拉克锥，如非(111)表面的理论预测？
• RQ3 在Γ、M和X1点观测到的费米面轮廓是否具有拓扑保护性，并与表面费米子宇称计算一致？
• RQ4 能否在Bi(110)基底上外延生长出高质量的(110)取向拓扑绝缘体薄膜，以支持此类研究？
• RQ5 观测到的三狄拉克锥拓扑结构是否与(111)表面的单狄拉克锥拓扑结构不同，是否引入了新的谷自由度？

主要发现

• Bi0.86Sb0.14 (110)表面在布里渊区中心Γ、M和X1点表现出三个清晰的狄拉克锥，经高分辨率ARPES测量确认。
• 在X1点周围观测到一个闭合的费米面轮廓，形成一个电子口袋，与Rashba分裂能带合并，形成位于体相价带投影内部的狄拉克点。
• 观测到的费米面轮廓拓扑结构——三个时间反演不变点被轮廓包围——与基于体相宇称不变量和表面费米子宇称计算的理论预测高度一致。
• 表面态色散关系和动量依赖性与光子能量无关，证实所观测特征为本征表面态，而非体相投影。
• 由于在不同高对称点存在多个狄拉克锥，(110)表面表现出谷自由度，这一特性在以往研究的(111)表面中未被观测到。
• 在Bi(110)基底上成功实现高质量Bi1-xSbx (110)薄膜的外延生长，晶格失配极小，从而实现了本征拓扑表面态的观测。