【學(xué)以精工】北理工在拓?fù)浣^緣體納米材料的光熱電效應(yīng)研究方面的新進(jìn)展
發(fā)布日期：2015-01-04 供稿：大學(xué)生記者團(tuán) 高彬彬
編輯：新聞中心 王征 閱讀次數(shù)： 近期，北理工物理學(xué)院吳漢春研究員所參與的拓?fù)浣^緣體納米材料的光熱電效應(yīng)研究課題，在《Nano Letters (DOI: 10.1021/nl501276e，4389，2014)》上，發(fā)表了題為《Topological Surface State Enhanced Photothermoelectric Effect in Bi2Se3 Nanoribbons》的論文，引起業(yè)內(nèi)關(guān)注。吳漢春研究員的研究由北京大學(xué)物理學(xué)院俞大鵬“納米結(jié)構(gòu)與低維物理”研究團(tuán)隊共同完成，并與北京大學(xué)國際量子材料科學(xué)中心孫棟教授、清華大學(xué)物理系周樹云教授（ARPES測量）、比利時安特衛(wèi)普大學(xué)的G. V. Tendeloo 教授和柯小行博士（球差矯正電鏡原子分辨結(jié)構(gòu)研究）形成了國際化的研究團(tuán)隊，他們共同合作完成了這一有關(guān)光熱電效應(yīng)的創(chuàng)新性研究課題。這一課題主要圍繞新材料物理特性的研究開展，并將其應(yīng)用于自旋極化載流子源產(chǎn)生方法的研究領(lǐng)域。
自旋電子學(xué)（Spintronics）是研究電子自旋屬性的電子學(xué)分支領(lǐng)域，它具有廣泛的應(yīng)用前景，例如硬盤磁頭技術(shù)就是自旋電子學(xué)領(lǐng)域中，最早商業(yè)化的研究應(yīng)用，在磁性隨機內(nèi)存、自旋場發(fā)射晶體管、自旋發(fā)光二極管等也有很大的應(yīng)用潛力。此外，電子自旋共振（ESR）也應(yīng)用于固態(tài)物理、化學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等多個方面。
自旋電子學(xué)的應(yīng)用常需要能夠產(chǎn)生自旋極化的載流子源，近年來，對于自旋極化載流子源產(chǎn)生方法的研究一直受到物理學(xué)界的重視。而通過對新材料物理特性的研究，是一種創(chuàng)新的研究思路，這其中拓?fù)浣^緣體是重點研究材料之一。拓?fù)浣^緣體作為一種新的量子物質(zhì)狀態(tài)，其內(nèi)部與普通絕緣體相同，但邊界或表面總是存在導(dǎo)電邊緣態(tài)，并且具有非平庸的自旋和磁電特性。對拓?fù)浣^緣體的研究有望為自旋極化的電流源的產(chǎn)生提供新的途徑。
吳漢春研究員所在的科研團(tuán)隊就是將硒化鉍（Bi2Se3）這種重要的三維強拓?fù)浣^緣體作為研究對象。硒化鉍（Bi2Se3）因具有穩(wěn)定、易制備、能系較大等特點，成為近年來研究的熱點。同時，硒化鉍（Bi2Se3）也是很好的熱電材料，在非均勻的光輻照下，會產(chǎn)生光熱電效應(yīng)。
由此特性，只需要對拓?fù)浣^緣體表面分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效控制，使之可以量化，因其內(nèi)部絕緣特性，因此在光電效應(yīng)作用下，其產(chǎn)生的電子全部來自于表面分子結(jié)構(gòu)，由于其基本結(jié)構(gòu)的可控性，就可以量化的分析出其所生成的自旋電子情況，一種可量化研究的自旋電子載流子源，其科研前景十分廣闊。
在這一思路下，該研究團(tuán)隊利用化學(xué)氣相沉積法（CVD），將硒化鉍（Bi2Se3）制備成便于實驗中使用的納米帶和納米片。化學(xué)氣相沉積法可以使反應(yīng)物質(zhì)在氣態(tài)條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而在加熱的固態(tài)基體表面生成固態(tài)物質(zhì)沉積，是一種制得固體材料的工藝技術(shù)。
針對制備好的實驗材料，選取一橫斷面樣本，使用高角度環(huán)形暗場-掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)進(jìn)行表征，可以清楚地觀察到沿[100]帶軸的五元組層（QL）的序列−Se−Bi-Se−Bi−Se−的基本單元。利用角分辨光電子能譜（ARPES，利用光電效應(yīng)研究固體的電子結(jié)構(gòu)）觀察硒化鉍（Bi2Se3）的表面態(tài)。
線性偏振光、左旋偏振光和右旋偏振光對拓?fù)浣^緣體Bi2Se3光熱電效應(yīng)的影響
通過阿哈拉諾夫玻姆效應(yīng)（Aharonov−Bohm，AB效應(yīng)，證明電磁場的矢勢有直接的可觀測的物理效應(yīng)）和舒勃尼科夫―德哈斯效應(yīng)（Shubnikov-de Haas，SdH振蕩，固體材料的電阻（磁阻）隨磁場的倒數(shù)呈周期性振蕩的現(xiàn)象）測出拓?fù)浣^緣體表面的狄拉克費米子（滿足狄拉克方程的費米子，費米子即自旋為半整數(shù)（1/2，3/2…）的粒子）性質(zhì)。使用圓偏振光（CPL）來選擇性激發(fā)硒化鉍（Bi2Se3）表面態(tài)電子，產(chǎn)生自旋極化的表面態(tài)，由于自旋方向與動量方向的鎖定關(guān)系，樣品中會產(chǎn)生電子定向運動的光電流。同時也觀測到Bi2Se3中圓偏振光增強的光熱電效應(yīng)。該實驗結(jié)果有望用于自旋極化的電流源的產(chǎn)生，將進(jìn)一步推動對自旋電子學(xué)在生活中的應(yīng)用。
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