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科研进展当前位置: 北京大学化学与分子工程学院科研进展正文
标 题:Nature Chemistry发表刘忠范-彭海琳课题组在拓扑绝缘体柔性透明导电薄膜方面的研究进展
发布时间:2012-03-09 阅读次数:15029

     拓扑绝缘体是一种全新的量子功能材料,其块材内部是有带隙的绝缘态,表面或边界存在无能隙的金属态,表现为无质量的狄拉克费米子。因拓扑保护,表面态形成的二维电子气非常稳定,基本不受杂质与无序的影响,在新原理纳电子器件、自旋器件、量子器件、清洁能源和催化等方面有广泛的应用前景。拓扑绝缘体(如Bi2Se3,Bi2Te3,Sb2Te3)纳米薄片是一种新型准二维晶体,它独特的二维层状结构和拓扑保护的表面金属态显示出许多优异的物理化学性质。北京大学纳米化学研究中心刘忠范/彭海琳课题组提出和实现了利用“范德华外延”法生长的拓扑绝缘体纳米薄片制作柔性透明导电薄膜的思想。率先在柔性透明绝缘的云母衬底上气相外延生长出大面积高质量的Bi2Se3纳米薄片,利用同步辐射角分辨光电子能谱(ARPES)直接观察到所制备Bi2Se3纳米结构的狄拉克锥形拓扑表面态,并发现基于拓扑绝缘体纳米结构的透明柔性导电薄膜有着宽波长范围内的透光性(尤其是近红外区)、高导电性、很好的抗扰动能力、和出色的柔性。该工作表明,拓扑绝缘体的独特光学、电学和机械性质使得这类新型透明柔性光电元件的生产制造成为可能,将带来更具价值的光电子和纳电子学应用。这一结果于2012年2月26日以Article的形式在《自然》杂志子刊Nature Chemistry发表:H. Peng, Z. F. Liu, et al., Topological Insulator Nanostructures for Near-infrared Transparent Flexible electrodes, doi:10.1038/nchem.1277. 该工作刚在线发表,美国能源部SLAC国家加速器实验室的新闻媒介就进行了采访报道。以上工作的ARPES实验合作者包括斯坦福大学的沈志勋教授和牛津大学的陈宇林教授。作为北京大学的客座教授,沈志勋教授是全球著名能源与材料权威专家、美国SLAC国家加速器实验室首席科学家、斯坦福大学材料与能源科学研究所所长、2009年度美国能源部劳伦斯奖获得者。

 

      刘忠范-彭海琳课题组发现“范德华外延”法在制备新型的二维层状材料时具有普适性。在前期工作中,他们提出了通过“范德华外延技术”生长双层AB 堆垛石墨烯,发展远程催化的方法,打破了铜箔上石墨烯低压CVD生长过程中的“自限制效应”,首次实现了AB 堆垛双层石墨烯的大面积外延生长,为规模制备双层石墨烯基纳电子和光电器件提供了材料基础 (Nano Lett. 2011, 11, 1106)。他们还利用“范德华外延”法,制备了石墨烯/拓扑绝缘体二维纳米异质结构 (Nano Lett. 2010, 10, 2870)。

     
该课题组还与斯坦福大学崔屹课题组合作,提出了“拓扑绝缘体纳米结构和器件研究”的研究思路,发现构筑具有大的比表面积的纳米结构可以有效降低体态载流子的贡献,实现了拓扑绝缘体(Bi2Se3, Bi2Te3)纳米线、纳米带和纳米薄片的控制生长,并系统研究了拓扑绝缘体纳米结构的量子输运和栅压调控性质。他们利用气-液-固生长机制,制备了高质量的拓扑绝缘体纳米带,首次发现拓扑绝缘体Bi2Se3表面态的Aharonov-Bohm (AB)量子干涉效应(Nature Materials 2010, 9, 225),证明了拓扑绝缘体中能产生AB效应的拓扑表面态电子波的存在。同时,通过气-固生长机制,在Si/SiO2基底上气相沉积生长得到了高质量拓扑绝缘体Bi2Se3和Bi2Te3少层纳米薄片(厚度仅为3-6nm),并用高k值介电层Al2O3作顶栅,利用栅电压成功调控了拓扑绝缘体的化学势(Nano Lett. 2010, 10, 2245)。

      相关工作得到了科技部、国家自然科学基金委和教育部人才基金的资助。

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