发信人: songzhilin (相信自己), 信区: D_Physics
标 题: 物理学院又发表一篇Nature Communications!
发信站: 南京大学小百合站 (Thu Sep 25 11:01:30 2014)
南京大学物理学院在Bi2Te3样品拓扑输运与Cu原子扩散团簇机制方面取得新进展，他
们的研究论文“Topological transport and atomic tunneling-clustering dynamics
for aged Cu-doped Bi2Te3 crystals” 发表在9月23日出版的Nature Communications上
(Vol 5, no 5022 (2014))。本工作由南京大学物理学院、比利时天主教鲁汶大学和东南大
学合作完成，王广厚院士亲自指导并参与了本文的工作，我院陈太师、黄文凯同学开展了
实验工作。物理学院宋凤麒教授、王伯根教授和东南大学王金兰教授担任本文的通讯作者
。本工作得到国家科技部“量子调控”重大研究计划和自然科学基金项目的支持。
最受关注的三维拓扑绝缘体(Bi2Te3/Se3）中存在本征的缺陷载流子，在常规样品中其
输运贡献足以掩盖厚度仅为nm级别的拓扑表面态的传输，这大大限制了对拓扑绝缘体的输
运性质的研究和器件研发。本工作发展了一种掺Cu时效处理的方法来优化Bi2Te3晶体，可
以使晶体的体相电导被抑制4个数量级。处理后的样品从金属输运转变成非金属输运，费米
面被调节到0.16eV带隙的0.1eV处，而拓扑表面态的传输却变得十分明显。从而，在宏观块
材中出现了拓扑表面态特征性的弱反局域化(左图)、Shubnikov de Haas振荡(右图)、面内
电子干涉等现象，特别是Landau扇形图给出了一个接近1/2的截距(右图插图)。这些结果都
证明了本工作获得了良好表面态输运的能带绝缘体。
本工作建立一种扩散——“隧穿”——团簇的Cu原子迁移图像描述了本方法的物理机制
。实验发现，在处理前，Cu原子位于晶体五层结构层芯的间隙位，而处理后Cu原子处于五
层结构的层间，并形成几个到几十个原子的小Cu团簇，同时晶体迁移率显著下降。物理学
院李绍春教授利用STM首次在这一结构中关键性的确认了Cu3团簇的存在（右图插图）。详
细理论分析表明：Cu原子在层芯独立、层芯团簇、层间独立的形成能是接近的，而层间形
成团簇后系统的能量则显著下降，穿越层芯和层间界面将遇到一个0.57eV的扩散势垒。所
以，时效处理的过程就是Cu原子频繁挑战该势垒并迁徙到层间成簇的过程。形成团簇后每
个Cu原子的电荷转移远小于0.1个电子电荷，这正是本工作显著掺杂却仍能获得能带绝缘体
样品的物理原因。迁徙的过程会引入缺陷，降低迁移率，正是这样载流子和迁移率双重的
抑制导致本工作巨大的体相电导抑制和最终显著拓扑表面态电子输运的出现。
这一方法和机制的发现对获得优质拓扑绝缘体材料具有重要的指导意义，也是Cu掺杂
在拓扑绝缘体中的又一重要贡献。
--
※ 来源:．南京大学小百合站 http://bbs.nju.edu.cn [FROM: 210.28.137.80]
标 题: 物理学院又发表一篇Nature Communications!
发信站: 南京大学小百合站 (Thu Sep 25 11:01:30 2014)
南京大学物理学院在Bi2Te3样品拓扑输运与Cu原子扩散团簇机制方面取得新进展，他
们的研究论文“Topological transport and atomic tunneling-clustering dynamics
for aged Cu-doped Bi2Te3 crystals” 发表在9月23日出版的Nature Communications上
(Vol 5, no 5022 (2014))。本工作由南京大学物理学院、比利时天主教鲁汶大学和东南大
学合作完成，王广厚院士亲自指导并参与了本文的工作，我院陈太师、黄文凯同学开展了
实验工作。物理学院宋凤麒教授、王伯根教授和东南大学王金兰教授担任本文的通讯作者
。本工作得到国家科技部“量子调控”重大研究计划和自然科学基金项目的支持。
最受关注的三维拓扑绝缘体(Bi2Te3/Se3）中存在本征的缺陷载流子，在常规样品中其
输运贡献足以掩盖厚度仅为nm级别的拓扑表面态的传输，这大大限制了对拓扑绝缘体的输
运性质的研究和器件研发。本工作发展了一种掺Cu时效处理的方法来优化Bi2Te3晶体，可
以使晶体的体相电导被抑制4个数量级。处理后的样品从金属输运转变成非金属输运，费米
面被调节到0.16eV带隙的0.1eV处，而拓扑表面态的传输却变得十分明显。从而，在宏观块
材中出现了拓扑表面态特征性的弱反局域化(左图)、Shubnikov de Haas振荡(右图)、面内
电子干涉等现象，特别是Landau扇形图给出了一个接近1/2的截距(右图插图)。这些结果都
证明了本工作获得了良好表面态输运的能带绝缘体。
本工作建立一种扩散——“隧穿”——团簇的Cu原子迁移图像描述了本方法的物理机制
。实验发现，在处理前，Cu原子位于晶体五层结构层芯的间隙位，而处理后Cu原子处于五
层结构的层间，并形成几个到几十个原子的小Cu团簇，同时晶体迁移率显著下降。物理学
院李绍春教授利用STM首次在这一结构中关键性的确认了Cu3团簇的存在（右图插图）。详
细理论分析表明：Cu原子在层芯独立、层芯团簇、层间独立的形成能是接近的，而层间形
成团簇后系统的能量则显著下降，穿越层芯和层间界面将遇到一个0.57eV的扩散势垒。所
以，时效处理的过程就是Cu原子频繁挑战该势垒并迁徙到层间成簇的过程。形成团簇后每
个Cu原子的电荷转移远小于0.1个电子电荷，这正是本工作显著掺杂却仍能获得能带绝缘体
样品的物理原因。迁徙的过程会引入缺陷，降低迁移率，正是这样载流子和迁移率双重的
抑制导致本工作巨大的体相电导抑制和最终显著拓扑表面态电子输运的出现。
这一方法和机制的发现对获得优质拓扑绝缘体材料具有重要的指导意义，也是Cu掺杂
在拓扑绝缘体中的又一重要贡献。
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※ 来源:．南京大学小百合站 http://bbs.nju.edu.cn [FROM: 210.28.137.80]
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