磁性拓扑绝缘体中的量子反常霍尔效应

量子反常霍尔效应是一种不需要外磁场、具有手性边缘态的量子化霍尔效应,可以用于构建其他新奇量子态和发展未来低功耗电子学器件等.该全新的量子效应于2012年首先由中国科学家在五层Cr掺杂的(Bi,Sb)₂Te₃拓扑绝缘体薄膜中实现.在过去七年间,经过大家的努力,其观测温度从最初的30 mK已经提高到2 K左右,进一步提高量子反常霍尔效应的观测温度是目前该领域主要的研究方向之一,是许多拓扑量子效应走向应用的关键因素.本文主要总结了量子反常霍尔效应研究的实验进展,特别在提高其观测温度方面的研究进展.文章包括四个部分:前两个部分分别介绍磁性掺杂和磁性近邻拓扑绝缘体体系中量子反常霍尔效应研究,第三部分介绍最新发现的内禀磁性拓扑绝缘体体系,最后一部分对设计和构造高温量子反常霍尔效应系统的原理和路线图给出一些建议和展望.     

银纳米团簇在HOPG表面上的控制生长

由于银与高定向热解石墨(highly oriented pyrolytic graphite,HOPG)面间的相互作用很小,银在HOPG表面上的生长通常采取三维的Volmer-Weber模式,得到空间分布不均匀的银团簇。本文分别采用加热氧化和氩离子轰击来改变HOPG衬底的表面结构,并用扫描隧道显微镜(STM)研究了银在它们上面的生长过程。实验结果表明：在氩离子轰击过的HOPG表面上,可以得到大小基本一致、空间分布均匀的银纳米团簇,实现了银团簇的控制生长．氩离子轰击导致了平整的HOPG表面产生缺陷,这些缺陷对银原子的扩散进行限制并成为优先成核中心,最终形成均匀的银纳米团簇。     

硅基高质量氧化锌外延薄膜的界面控制

本文利用反射式高能电子衍射(RHEED)、高分辨透射电镜和选区电子衍射方法,系统研究了Si(111)衬底上制备高质量氧化锌单晶薄膜的界面控制工艺.发现低温下Mg(0001)/Si(111)界面互扩散得到有效抑制,形成了高质量的单晶镁膜,进一步通过低温氧化法和分子束外延法实现了单晶MgO缓冲层的制备,从而为ZnO的外延生长提供了模板.在这一低温界面控制工艺中,Mg膜有效防止了Si表面的氧化,而MgO膜不仅为ZnO的成核与生长提供了优良的缓冲层,且极大地弛豫了由于衬底与ZnO之间的晶格失配所引起的应变.上述低温工艺也可用来控制其它活性金属膜与硅的界面,从而在硅衬底上获得高质量的氧化物模板.     

LSAT(111)衬底上ZnO单晶薄膜的分子束外延生长

利用射频等离子体辅助分子束外延技术,在LSAT(111)衬底上制备高质量ZnO单晶薄膜.研究了衬底表面预处理及生长温度对ZnO外延膜的生长过程、外延取向关系以及表面形貌的影响.发现在较低温度下生长ZnO时,薄膜中容易形成30°旋转畴,而在较高温度下,可完全消除薄膜中的旋转畴,得到具有单一畴的ZnO单晶薄膜,讨论了旋转畴的起源以及生长温度对于消除旋转畴的作用.锐利的3×3 RHEED图像验证了ZnO薄膜具有O极性.     

纤维锌矿薄膜中30度旋转畴的TEM研究

由于具有纤维锌矿结构的ZnO和CaN在宽禁带半导体方面存在很大的应用潜力，国际上很多研究组已经将在不同条件下生长的ZnO和GaN薄膜的微结构进行了研究。在众多试验中他们发现存在30度畴这种缺陷。直到现在没有人对这个缺陷进行仔细的研究。这里我们使用了截面和平面两个样品应用透射电子显微镜进行了表征。     

LSAT(111)衬底上ZnO单晶薄膜的分子束外延生长

利用射频等离子体辅助分子束外延技术,在LSAT(111)衬底上制备高质量ZnO单晶薄膜.研究了衬底表面预处理及生长温度对ZnO外延膜的生长过程、外延取向关系以及表面形貌的影响.发现在较低温度下生长ZnO时,薄膜中容易形成30°旋转畴,而在较高温度下,可完全消除薄膜中的旋转畴,得到具有单一畴的ZnO单晶薄膜,讨论了旋转畴的起源以及生长温度对于消除旋转畴的作用.锐利的3×3 RHEED图像验证了ZnO薄膜具有O极性.     

n-ZnO／p-GaN异质结界面工程

宽禁带直接带隙半导体材料ZnO与GaN在晶体结构、晶格常数以及能带宽度等方面具有非常相似的特性。ZnO在高自由激子结合能（60meV）、适于湿法刻蚀以及对环境友好等方面具有优势，在短波长低阈值发光二极管（LED）以及激光二极管等方面具有广阔的应用前景。但ZnO在稳定的P型掺杂方面遇到很大的挑战，高亮度ZnO同质结型发光二极管的制作具有很大的难度。     

量子阱态对Pb薄膜局域功函数的调制

理想的厚度均一的薄膜中，由于电子的运动在垂直于膜面方向受到限制，其能级会发生量子化，形成分立的能量本征态，即量子阱态。Pb／Si系统作为典型的量子阱态体系，由于Pb在[111]方向的层间距约为电子费米波长的1／4，所以Pb薄膜的厚度每变化一个单原子层都会引起费米面附近态密度的很大变化，从而导致其物理性质的变化。对此体系的研究表明Pb薄膜的许多物理性质，例如，超导转变温度、热膨胀系数及薄膜稳定性等均受到量子阱态的影响。     

利用扫描隧道显微镜构建纳米结构

通过对在Si(111)-7×7表面上生长的Pb岛施加脉冲偏压,Pb岛受到触发而自发再生长.通过调节操纵参数(如脉冲电压的大小和时间),岛的高度及形状可以较精确地控制.用这种方法,我们可以制造出一些特定形状的纳米结构,例如中空和半中空的纳米阱等,还可以在更大尺度(微米)上进一步构建由这些纳米结构单元构成的图案.在纳米结构的构建过程中,还观察到了量子效应对薄膜生长的影响.     

原子位置交换导致的Pt(100)表面上Fe-Pt有序合金的形成

对金属单晶衬底上磁性超薄膜的研究有助于加深对低维磁性的理解。对生长在Pt（100）表面上的Fe超薄膜的研究更是由于其在高密度磁存储材料上的潜在应用价值而具有重大的意义。我们利用超高真空扫描隧道显微术（STM）、低能电子衍射（LEED）以及表面磁光克尔效应（AMOKE）对于生长在单晶Pt（100）表面上的不同覆盖度的Fe的形貌、