二维拓扑绝缘体及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种二维拓扑绝缘体，所述二维拓扑绝缘体是以Al2O3(0001)面为衬底生长的蜂窝状III‑V族化合物单层膜。本发明专利技术还公开了所述二维拓扑绝缘体的制备方法和应用。本发明专利技术的二维拓扑绝缘体，具有良好拓扑绝缘性，衬底上的原子结构也非常稳定，能在高于室温的条件下保持拓扑绝缘性。

Two-dimensional topological insulators and their preparation methods and Applications

The invention discloses a two-dimensional topological insulator, which is a honeycomb III_V compound monolayer film grown on Al2O3 (0001) surface. The invention also discloses the preparation method and application of the two-dimensional topological insulator. The two-dimensional topological insulator of the invention has good topological insulation, and the atomic structure on the substrate is also very stable, and can maintain the topological insulation above room temperature.

【技术实现步骤摘要】
二维拓扑绝缘体及其制备方法和应用
本专利技术涉及拓扑绝缘体材料
，具体涉及一种二维拓扑绝缘体及其制备方法。
技术介绍
在常规固体理论中，根据导电性能的差异，固体材料可分为金属、半导体和绝缘体。2006年，理论物理学家预测了一种新型的固体材料——拓扑绝缘体。从那以后，关于拓扑绝缘体的研究成为了凝聚态物理和材料科学领域的研究热点。拓扑绝缘体与普通绝缘体的主要区别在于其内部为绝缘体，而在表面或边界上因为相对论效应会形成量子化的带自旋手性的电流，此即拓扑绝缘体特有的边界态。这种边界态具有拓扑不变性，能忍受一定程度的扰动，电流输运过程中零能损耗，因此在下一代自旋电子器件和量子计算等方面，有着巨大的应用前景。目前包括我国在内的世界各国都在这一基础应用研究领域投入了巨大的人力和财力，展开密集和深入的研究。拓扑绝缘体分为二维拓扑绝缘体和三维拓扑绝缘体。其中三维拓扑绝缘体相对容易制备，在实验研究方面进展迅速。但是，三维拓扑绝缘体难以投入应用，因为其有严重的缺点，如表面导电性能太好从而不易控制其输运性质、材料本身容易产生缺陷从而形成N型或P型的常规半导体等。相反，二维拓扑绝缘体的边界态很纯净且只有几个原子层厚度，在将来纳米尺度的电子器件中应用有天然优势。然而，二维拓扑绝缘体却难以制备。近几年来，寻找具有实用前景的二维拓扑绝缘体成拓扑绝缘体研究的一个重要方面。在理论方面，科学家预言了很多二维拓扑绝缘体，比如石墨烯、硅烯、锗烯、锡烯等。但在实验方面的相关研究进展并不大。这主要是因为在实验上这些二维拓扑绝缘体材料都只能在金属衬底上才能制备，而此时金属衬底完全破坏了它们的拓扑绝缘性。因此，如何有效制备二维拓扑绝缘体材料，并且使其具有良好的拓扑绝缘性，是目前在二维拓扑绝缘体材料研究领域中亟需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种二维拓扑绝缘体，该二维拓扑绝缘体具有良好拓扑绝缘性，衬底上的原子结构也非常稳定，因此能在高于室温的条件下保持拓扑绝缘性。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种二维拓扑绝缘体，所述二维拓扑绝缘体是以Al2O3(0001)面为衬底生长的蜂窝状III-V族化合物单层膜。作为优选，所述单层膜是采用分子束外延法在Al2O3(0001)衬底上生长得到的。作为优选，所述III-V族化合物为GaBi、InBi、TlAs、TlSb或TlBi。本专利技术另一方面提供了所述的二维拓扑绝缘体的制备方法，包括以下步骤：提供Al2O3(0001)作为衬底；和采用分子束外延法在所述衬底上外延生长蜂窝状III-V族化合物单层膜，即得到所述二维拓扑绝缘体。作为优选，所述提供Al2O3(0001)作为衬底具体为：提供Al2O3单晶基片，挑选出具有Al2O3(0001)表面的基片，清洗以去除表面的污染物，放置于分子束外延设备中作为衬底。作为优选，采用X射线衍射法测量所述Al2O3单晶基片，以挑选出具有Al2O3(0001)表面的基片。作为优选，采用单晶III-V族化合物作为外延生长的分子源。作为优选，还包括采用扫描隧道显微镜和透射电子显微镜检测所述单层膜，确认原子结构的步骤。本专利技术另一方面还提供了一种拓扑绝缘体结构，包括绝缘衬底和生长于所述绝缘衬底上的蜂窝状III-V族化合物单层膜。作为优选，所述绝缘衬底为Al2O3(0001)晶面。本专利技术又一方面还提供了所述的二维拓扑绝缘体在电学器件中的应用。本专利技术的有益效果：本专利技术的二维拓扑绝缘体为蜂窝状III-V族化合物单层膜，其拓扑绝缘能隙最高达到640毫电子伏，因此它们本身是具有良好拓扑绝缘性的。当它们生长在Al2O3(0001)表面上时，大部分蜂窝状III-V族化合物单层膜拓扑绝缘性不但能得到保持，而且进一步加强，即拓扑绝缘能隙增大。本专利技术的蜂窝状III-V族化合物单层膜在Al2O3(0001)衬底上的原子结构也非常稳定，因此能在高于室温的条件下保持拓扑绝缘性，这是它们将来能应用于电子器件中的保障。附图说明图1是本专利技术的蜂窝状III-V族化合物单层膜生长在Al2O3(0001)表面上的原子结构示意图，其中浅色大球为Al原子，深色大球为O原子，浅色小球为III族原子，深色小球为V族原子；图2(a)是无衬底情况下蜂窝状III-V族化合物单层膜的结构示意图,图2(b)中上下两层分别是无相对论效应和有相对论效应情况下的能带结构；图3中上下两层分别为无相对论效应和有相对论效应情况下蜂窝状III-V族化合物单层膜在Al2O3(0001)衬底上的能带结构。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本专利技术并能予以实施，但所举实施例不作为对本专利技术的限定。通过基于密度泛函理论的VASP软件包计算，可以得到材料的能带结构。对于孤立的蜂窝状III-V族化合物单层膜(即无衬底情况下)，在没有相对论效应时(参见图2b上层的5个能带图)，费米能级处(即能量零点处)两侧的能带相互交叉，这意味着它们此时是没有能隙的。而当有相对论效应时(参见图2b下层的5个能带图)，能带结构在费米能级处(即能量零点处)出现能隙，且在带隙处存在能级反转(即能级在Γ点处上下易位)，这正是拓扑绝缘体能隙的基本特征。表1蜂窝状III-V族化合物单层膜在有/无衬底存在时的拓扑绝缘能隙表GaBiInBiTlAsTlSbTlBiΔ1172214147311641Δ2475480249424589表1示出了孤立的(即无衬底)和有Al2O3(0001)衬底时，蜂窝状III-V族化合物单层膜的拓扑绝缘能隙，分别以Δ1和Δ2表示，单位为毫电子伏。从表1中可以看出，孤立的蜂窝状III-V族化合物单层膜的拓扑绝缘能隙都超过了100毫电子伏，特别是TlBi的拓扑绝缘能隙达到641毫电子伏。因此，我们首先从理论上预测孤立的蜂窝状III-V族化合物单层膜是二维拓扑绝缘体，并且其拓扑绝缘性较好(拓扑绝缘能隙较大)。然而，如前所述，孤立的蜂窝状III-V族化合物单层膜是不存在的，需要在合适的衬底上利用分子束外延方法生长。通过基于密度泛函理论的VASP软件包计算，我们尝试了大量的绝缘体衬底，最终发现以Al2O3(0001)表面作为衬底时，蜂窝状III-V族化合物单层膜的拓扑绝缘性得到保持并加强。如图3所示，当蜂窝状III-V族化合物单层膜生长在Al2O3(0001)衬底上时，费米能级(即能量零点)附近的能带特征与其孤立时(即无衬底)相近，也存在相对论效应诱导的拓扑绝缘能隙。从表1中可以看出，除了TlBi外，其他蜂窝状III-V族化合物单层膜生长在Al2O3(0001)衬底上时，拓扑绝缘能隙都显著增大，特别是GaBi和InBi，其拓扑绝缘能隙分别从172和214毫电子伏增加到475和480毫电子伏。另外，TlSb的拓扑绝缘能隙达到了424毫电子伏。对于TlBi，因为其在孤立时具有远大于其余四种材料的拓扑绝缘能隙，即使在Al2O3(0001)衬底上时有所减小，其拓扑绝缘能隙仍然是所有材料中最大的，达到589毫电子伏。综上所述，我们通过基于密度泛函理论的VASP软件包计算模拟，成功发现了一类具有实用价值的二维拓扑绝缘体材料。通过分子束外延这一成熟的制备二维材料的方法，将III-V族化合物单层膜沉积在Al2O3(00本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二维拓扑绝缘体，其特征在于，所述二维拓扑绝缘体是以Al2O3(0001)面为衬底生长的蜂窝状III‑V族化合物单层膜。

【技术特征摘要】
1.一种二维拓扑绝缘体，其特征在于，所述二维拓扑绝缘体是以Al2O3(0001)面为衬底生长的蜂窝状III-V族化合物单层膜。2.如权利要求1所述的二维拓扑绝缘体，其特征在于，所述单层膜是采用分子束外延法在Al2O3(0001)衬底上生长得到的。3.如权利要求1所述的二维拓扑绝缘体，其特征在于，所述III-V族化合物为GaBi、InBi、TlAs、TlSb或TlBi。4.根据权利要求2所述的二维拓扑绝缘体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：提供Al2O3(0001)作为衬底；和采用分子束外延法在所述衬底上外延生长蜂窝状III-V族化合物单层膜，即得到所述二维拓扑绝缘体。5.如权利要求4所述的二维拓扑绝缘体的制备方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡军，齐灿，欧阳丽颖，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32