吸附Pb原子的Bi2Se3薄膜的能帶結(jié)構(gòu)*

楊 紅， 侯子豪， 黃勇剛， 劉文亮， 彭向陽， 鐘建新

(1.吉首大學(xué) 物理與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 吉首 416000；2.湘潭大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105)

硒化鉍(Bi2Se3)是第二代三維強(qiáng)拓?fù)浣^緣體，其體帶隙較大(約0.3 eV), 且具有非常強(qiáng)的自旋軌道耦合作用，在塊體能帶中形成反轉(zhuǎn)帶隙，而在表面或界面上則形成受時(shí)間反演對稱性保護(hù)的金屬態(tài)，是目前拓?fù)浣^緣體中的研究焦點(diǎn)之一[1].在拓?fù)浔砻鎽B(tài)中的電子具有Dirac準(zhǔn)粒子行為，其自旋和動(dòng)量方向是鎖定的.這些前所未有的性質(zhì)，不僅具有重大和深刻的科學(xué)意義，而且在自旋電子學(xué)和量子計(jì)算等方面具有巨大和獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值[2-3].

最近幾年，有一系列重要實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，在Bi2Se3一類的材料中具有顯著的Rashba效應(yīng)，在其中所觀察到的Rashba自旋劈裂比傳統(tǒng)半導(dǎo)體的大一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)，引起研究者的高度關(guān)注[4-9].這一重大發(fā)現(xiàn)為自旋電子器件在室溫下的運(yùn)行和小型化帶來很大的希望，使自旋電子學(xué)向應(yīng)用方面邁出了重要一步.Hofmann領(lǐng)導(dǎo)的小組在Bi2Se3表面上沉積了CO或Rb，在大于室溫的條件下，用角分辨光電子能譜儀觀察到了巨大的Rashba自旋劈裂，所測得的Rashba參數(shù)高達(dá)1.3 eV?，比以往認(rèn)為具有較強(qiáng)自旋軌道耦合的半導(dǎo)體材料(例如InAs和InSb)大了一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)[8].Damascelli等在覆蓋了K的Bi2Se3表面上也測量到了巨大的Rashba效應(yīng).他們計(jì)算了清潔Bi2Se3薄膜(未吸附K原子)的量子阱態(tài)，但未計(jì)算K原子吸附引起的Rashba效應(yīng)[9].Benia等在Bi2Se3表面上吸附H2O，在量子阱態(tài)中發(fā)現(xiàn)了巨大的Rashba自旋劈裂，其Rashba參數(shù)達(dá)1.1 eV?，而且拓?fù)浔砻鎽B(tài)不受水分子吸附的影響[7].Hasan 領(lǐng)導(dǎo)的小組發(fā)現(xiàn)在Cu覆蓋的Bi2Se3表面上有很強(qiáng)的Rashba效應(yīng)，而且發(fā)現(xiàn)不同的拓?fù)湎鄬ashba自旋劈裂有不同的影響[6].薛其坤領(lǐng)導(dǎo)的小組在石墨烯基底上用分子束外延方法生長出高質(zhì)量的Bi2Se3薄膜，并實(shí)現(xiàn)了按“五原子層”(quintuple layer, QL)層狀模式的可控生長.他們發(fā)現(xiàn)此Bi2Se3體系由于基底的存在而導(dǎo)致的Rashba效應(yīng)比普通半導(dǎo)體表面或異質(zhì)結(jié)的Rashba效應(yīng)強(qiáng)一個(gè)數(shù)量級(jí).這些實(shí)驗(yàn)表明，拓?fù)浣^緣體是制備自旋電子器件的理想材料，利用其巨Rashba效應(yīng)，非常有望在納米尺度和室溫條件下實(shí)現(xiàn)電場對自旋的有效操控[4].

相對于較輕的原子(如上提到的氣體分子和堿金屬)，吸附具有強(qiáng)自旋軌道耦合作用的原子應(yīng)該會(huì)對拓?fù)浣^緣體Rashba效應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)的影響.鉛(Pb)的原子序數(shù)為82，是重金屬，且具有p 態(tài)電子，比堿金屬(例如Rb ,Z=37)元素的s態(tài)電子對稱性低，可以引起更大的勢梯度.我們想通過鉛誘導(dǎo)Bi2Se3薄膜表面上產(chǎn)生Rashba效應(yīng)，Bi2Se3薄膜表面吸附少于一層鉛原子(例如吸附0.25層Pb).

1 計(jì)算方法與模型

2 計(jì)算結(jié)果和分析

3 結(jié) 論

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