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基于元素Bi纳米带电子结构的研究进展

 
 

元素Bi是凝聚态物理领域研究最多的单质元素之一,因为具有很强的自旋轨道耦合,可能在未来的自旋电子学器件方面具有潜在的应用。其体相电子结构的半金属(semimetal)性质来自于布里渊区内L点和T点的电子、空穴的相互交叠,因此在其费米面附近打开能隙成为了该领域的热门方向。一个办法就是利用二维薄膜的量子尺寸效应来改变Bi薄膜的子带,然而一系列的实验证明该方法虽然可以改变薄膜的能带,但是自旋轨道耦合会形成跨越费米面的自旋分辨的能带。另外在半导体Si衬底上生长的Bi薄膜由于较强的薄膜、衬底间相互作用及晶格失配,一般存在一定厚度的wetting layer(浸润层),因此Bi薄膜的初期生长机制也是有争议的。

本工作研究了在SiC(0001)表面上生长Bi(110)纳米带,扫描隧道显微镜实验发现Bi(110)纳米带的厚度是4层,表明Bi与衬底的相互作用比较弱并没有存在缓冲层。Bi纳米带的台阶表面有较大的起伏,远大于体相A7结构的表面起伏,并且台面边缘具有周期性的重构;进一步的扫描隧道谱数据表明Bi纳米带台面具有400 meV的能隙,这些实验结果表明初期生长Bi纳米带具有与体相不同的几何结构和电子结构。密度泛函理论计算结果表明相对于体相的具有较小台面起伏的A7结构,具有黑磷结构起伏A17边界重构结构有利于边界应变能的释放,并且在考虑了边界重构后计算得到的费米能级附近的态密度在垂直边缘方向很快衰减,并最终出现跟实验大小一致的能隙,这表明边界重构结构对Bi纳米带的几何结构和电子结构都具有重要影响。

   

上)Bi(110)纳米带的台面及其边界的扫描隧道显微镜形貌像。(下)边界处的高度起伏。

本工作报导了采用弱相互作用衬底生长Bi纳米带,在该纳米带表面发现了跟体相截然不同的几何结构和电子结构,并对其做出了理论解释;对于认识单质Bi的初期生长、理解其电子结构以及实现基于单质Bi的电子器件都具有重要意义。相关结果发表在Physical Review Letters  109, 246804 (2012)。本工作得到了国家自然科学基金的资助。

 

 

 

 
     
  相关链接:  
 

 Jiatao Sun, Han Huang, Swee Liang Wong, Hong-Jun Gao, Yuan Ping Feng and Andrew Thye Shen Wee
"Energy-Gap Opening in a Bi(110) Nanoribbon Induced by Edge Reconstruction"
Phys. Rev. Lett. 109, 246804 (2012
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