[论文解读] Topologically Nontrivial Bismuth(111) Thin Films Grown on Bi2Te3

M. Yao, Fengfeng Zhu+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 38被引用 42

一句话总结

本研究利用高分辨率角分辨光电子能谱（ARPES）研究在Bi2Te3(111)衬底上外延生长的Bi(111)薄膜，在Γ̄M点附近观测到第三条表面能带。观察到奇数个费米动量交叉点（五个）为这些薄膜在三维空间中具有非平庸拓扑性质提供了直接实验证据，挑战了此前关于体相铋为平庸拓扑的假设。

ABSTRACT

Using high-resolution angle-resolved photoemission spectroscopy, the electronic structure near the Fermi level and the topological property of the Bi(111) films grown on the Bi$_2$Te$_3$(111) substrate were studied. Very different from the bulk Bi, we found another surface band near the $\bar{M}$ point besides the two well-known surface bands on the Bi(111) surface. With this new surface band, the bulk valence band and the bulk conduction band of Bi can be connected by the surface states. Our band mapping revealed odd number of Fermi crossings of the surface bands, which provided a direct experimental signature that Bi(111) thin films of a certain thickness on the Bi$_2$Te$_3$(111) substrate can be topologically nontrivial in three dimension.

研究动机与目标

• 利用高分辨率ARPES测定在Bi2Te3(111)衬底上外延生长的Bi(111)薄膜的电子结构。
• 解决理论预测与体相Bi(111)表面能带实验观测之间长期存在的矛盾。
• 研究Bi(111)薄膜在Bi2Te3(111)衬底上是否因厚度依赖的能带结构或界面效应而表现出非平庸拓扑性质。
• 通过识别表面态中奇数个费米动量交叉点，为3D铋基体系中的非平庸拓扑性提供直接实验证据。

提出的方法

• 在先进光源（Advanced Light Source）12.0.1光束线，使用28–46 eV光子，在10 K温度下进行高分辨率角分辨光电子能谱（ARPES）测量。
• 通过原位劈裂Bi2Te3单晶和Bi(111)薄膜，确保测量表面为原子级清洁。
• 采用两步分子束外延（MBE）生长方法，在Bi2Te3(111)衬底上生长出高质量、单晶的20 nm和30 nm厚Bi(111)薄膜。
• 利用反射高能电子衍射（RHEED）和扫描隧道显微镜（STM）确认薄膜的高结晶质量与平整度，台阶高度与0.4 nm双原子层一致。
• 通过X射线衍射（XRD）和面内晶格常数测量分析应变与结构质量，结果显示面内晶格常数从衬底的4.38 Å增加至体相铋的4.54 Å，直至厚度约13 nm。
• 利用能量分布曲线（EDCs）和费米面映射确定表面能带并统计费米动量交叉点数量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Bi2Te3(111)衬底上外延生长的Bi(111)薄膜是否表现出在体相铋中未观测到的第三条表面能带？
• RQ2 该第三条表面能带的存在是否导致奇数个费米动量交叉点，从而指示非平庸拓扑性质？
• RQ3 Bi(111)薄膜的面内晶格常数如何随厚度变化，其对电子结构有何影响？
• RQ4 在Bi(111)/Bi2Te3(111)薄膜中观测到的电子结构是否可归因于本征拓扑性质或界面效应？
• RQ5 这些薄膜的拓扑性质是否与三维拓扑绝缘体的理论预测一致？

主要发现

• 在30 nm厚的Bi(111)/Bi2Te3(111)薄膜中，于Γ̄M点附近实验观测到第三条表面能带，该能带与体相铋中已知的两条表面能带（S1和S2）不同。
• 费米面映射显示表面能带存在五个费米动量交叉点，奇数个交叉点是三维空间中非平庸拓扑性质的直接实验证据。
• Bi(111)薄膜的面内晶格常数从衬底的4.38 Å（与Bi2Te3匹配）增加至4.54 Å（体相铋值），直至厚度约13 nm，表明应变弛豫与晶格膨胀。
• 30 nm厚的Bi(111)/Bi2Te3(111)薄膜的XRD衍射峰比Bi(111)/Si(111)薄膜更窄，表明两步MBE生长方法显著提升了结晶质量。
• 在Γ̄Γ点附近，S1和S2表面能带在时间反演不变点处发生简并，与Kramers简并性一致。
• 在体相铋中，Γ̄M附近未检测到体相导带，而该问题在薄膜体系中得以克服，实现了对表面态贯穿体相价带与导带的清晰识别。