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强磁场科学中心在金属铋纳米带二维金属表面态研究方面取得重要进展

来源： 时间：2014-07-16 作者：宁伟

强磁场科学中心田明亮研究员课题组在金属铋纳米带研究中，取得了突破性的进展。研究人员在超薄的单晶铋纳米带中观察到具有典型二维特征的Shubnikov-de Haas（SdH）量子振荡行为，同时低磁场各向异性磁电阻结果确认了薄样品中的量子输运行为来源于二维表面态。实验结果首次清晰地给出了Bi薄纳米带中不仅存在二维金属表面态且该金属表面态有可能是拓扑保护的。
元素Bi是一种半金属材料，具有许多其它金属没有的特殊性质，如极小的费米面面积，极小的有效载流子质量，很低的载流子密度及非常长的电子平均自由程等，这些性质使Bi一直成为研究宏观量子现象的理想材料。近年来在强磁场下对Bi单晶的研究中，发现了一系列新奇的量子现象不能够用现有的理论模型理解，例如高磁场量子极限下的反常量子振荡行为等，更是使这一材料再次引起了广泛的关注。
最近对金属铋（Bi）薄膜的研究中发现，金属Bi薄膜可能存在性质不同于内部块体的二维金属表面态，但对表面态的机理理解不清楚。宁伟副研究员和孔凤玉博士后等利用水热方法合成出高质量Bi单晶纳米带，在强磁场（~31 T）、极低温（300mK）平台上，对不同厚度纳米带的电导特性进行了研究。实验发现：在超薄的纳米带中（~40 nm）能观察到具有典型的二维特征的SdH量子振荡现象，同时SdH振荡朗道量子指数与磁场倒数的关系出现截距为-1/2；而在厚的纳米带中（~120 nm），只观察到具有三维特征的量子振荡行为，同时其截距接近于 0。这些结果不仅给出了Bi超薄纳米带存在二维金属表面态的实验证据且首次清晰地表明该金属表面态有可能是受拓扑保护的，如量子尺寸效应使经典的Bi半金属转变为拓扑绝缘体等。
这一研究工作对深入认识Bi的表面态及块体单晶在强磁场下的各种量子行为具有重要的意义。相关研究成果发表在美国化学学会近期出版的《ACS Nano》上。
该项研究获得科技部973项目、基金委国家自然科学基金及中科院百人计划项目的支持。文章链接：http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/nn502813y 。
左图：单晶铋纳米带TEM图像；右图：单根薄纳米带（~40 nm）在强磁场下的量子振荡行为。
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