半導體所在砷化鎵／鍺中拓撲相研究方面獲重要發現

　　中國科學院半導體研究所常凱研究組提出利用表面極化電荷在傳統常見半導體材料GaAs/Ge中實現拓撲絕緣體相。通過第一性原理計算和多帶k.p理論成功地證明了GaAs/Ge極化電荷誘導的拓撲絕緣體相，這為拓撲絕緣體的器件應用又向前推進了一步。

　　拓撲絕緣體是目前凝聚態物理的前沿熱點問題之一。它具有獨特的電子結構，在體內能帶存在能隙，表現出絕緣體的行為;表面或邊界的能帶是線性的無能隙的Dirac錐能譜，因而是金屬態。這種量子物態展現出豐富而新奇的物性，如量子自旋霍爾效應、磁電耦合、量子反常霍爾效應等。由于這種新奇的物性源自自旋軌道耦合，因而目前所知的拓撲絕緣體都是含有重原子的窄能隙半導體體系，如HgTe,Bi2X3(X=Se,Sb,……)和Heusler合金等材料。這兩個約束極大地限制拓撲絕緣體家族的擴展，而這些材料不夠成熟的生長制備工藝則阻礙了拓撲絕緣體潛在的器件應用。

　　常凱研究組繼前期首次打破窄能隙和重元素的限制，在常見的半導體材料GaN/InN/GaN中發現拓撲絕緣體相(Phys. Rev. Lett. 109, 186803(2012))后，首次理論上提出利用表面極化電荷在常見半導體材料GaAs/Ge系統中實現拓撲絕緣體相。GaAs/Ge系統與GaN/InN/GaN系統相比不同的地方是，GaAs材料和Ge材料晶格常數匹配，更易于材料的生長。另外GaAs/Ge是傳統的半導體材料，制造工藝成熟，更利于拓撲絕緣體器件的集成。該工作對在常見半導體中探索新的拓撲相，及其開展介觀輸運的研究具有重要意義。

　　文章發表在Physcal Review Letters 111, 156402(2013)。這項工作得到了國家自然科學基金委、科學院和科技部的經費支持。

　　論文信息：Dong Zhang, WenKai Lou, M.-S. Miao, S. C. Zhang, and Kai Chang*, Interface-Induced Topological Insulator Transition in GaAs/Ge/GaAs Quantum Wells, Physcal Review Letters 111,156402(2013)。

半導體所在砷化鎵/鍺中拓撲相研究方面獲重要發現