近期，中國科學(xué)院強(qiáng)磁場科學(xué)中心田明亮研究員課題組在金屬鉍納米帶研究中取得了新進(jìn)展。研究人員在超薄的單晶鉍納米帶中觀察到具有典型二維特征的Shubnikov-de Haas（SdH）量子振蕩行為，同時低磁場各向異性磁電阻結(jié)果確認(rèn)了薄樣品中的量子輸運(yùn)行為來源于二維表面態(tài)。實驗結(jié)果首次清晰地給出了Bi薄納米帶中不僅存在二維金屬表面態(tài)且該金屬表面態(tài)有可能是拓?fù)浔Ｗo(hù)的。
元素Bi是一種半金屬材料，具有許多其它金屬沒有的特殊性質(zhì)，如極小的費(fèi)米面面積、極小的有效載流子質(zhì)量、很低的載流子密度及非常長的電子平均自由程等，這些性質(zhì)使Bi一直成為研究宏觀量子現(xiàn)象的理想材料。近年來在強(qiáng)磁場下對Bi單晶的研究中，發(fā)現(xiàn)了一系列新奇的量子現(xiàn)象不能夠用現(xiàn)有的理論模型理解，例如高磁場量子極限下的反常量子振蕩行為等，更是使這一材料再次引起了廣泛的關(guān)注。
最近對金屬鉍（Bi）薄膜的研究中發(fā)現(xiàn)，金屬Bi薄膜可能存在性質(zhì)不同于內(nèi)部塊體的二維金屬表面態(tài)，但對表面態(tài)的機(jī)理理解不清楚。寧偉副研究員和孔鳳玉博士后等利用水熱方法合成出高質(zhì)量Bi單晶納米帶，在強(qiáng)磁場（~31 T）、極低溫（300mK）平臺上，對不同厚度納米帶的電導(dǎo)特性進(jìn)行了研究。實驗發(fā)現(xiàn)：在超薄的納米帶中（~40 nm）能觀察到具有典型的二維特征的SdH量子振蕩現(xiàn)象，同時SdH振蕩朗道量子指數(shù)與磁場倒數(shù)的關(guān)系出現(xiàn)截距為-1/2；而在厚的納米帶中（~120 nm），只觀察到具有三維特征的量子振蕩行為，同時其截距接近于 0。這些結(jié)果不僅給出了Bi超薄納米帶存在二維金屬表面態(tài)的實驗證據(jù)且首次清晰地表明該金屬表面態(tài)有可能是受拓?fù)浔Ｗo(hù)的，如量子尺寸效應(yīng)使經(jīng)典的Bi半金屬轉(zhuǎn)變?yōu)橥負(fù)浣^緣體等。
這一研究工作對深入認(rèn)識Bi的表面態(tài)及塊體單晶在強(qiáng)磁場下的各種量子行為具有重要的意義。相關(guān)研究成果發(fā)表在美國化學(xué)學(xué)會近期出版的ACS Nano上。
該項研究獲得科技部“973”項目、基金委國家自然科學(xué)基金及中科院“百人計劃”項目的支持。
左圖：單晶鉍納米帶TEM圖像；右圖：單根薄納米帶（~40 nm）在強(qiáng)磁場下的量子振蕩行為。
