金屬鉍納米帶二維金屬表面態研究獲進展

　　近期，中國科學院強磁場科學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果確認了薄樣品中的量子輸運行為來源于二維表面態。實驗結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且該金屬表面態有可能是拓撲保護的。

　　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，如極小的費米面面積、極小的有效載流子質量、很低的載流子密度及非常長的電子平均自由程等，這些性質使Bi一直成為研究宏觀量子現象的理想材料。近年來在強磁場下對Bi單晶的研究中，發現了一系列新奇的量子現象不能夠用現有的理論模型理解，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注。

　　最近對金屬鉍（Bi）薄膜的研究中發現，金屬Bi薄膜可能存在性質不同于內部塊體的二維金屬表面態，但對表面態的機理理解不清楚。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量Bi單晶納米帶，在強磁場（~31 T）、極低溫（300mK）平臺上，對不同厚度納米帶的電導特性進行了研究。實驗發現：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量子振蕩現象，同時SdH振蕩朗道量子指數與磁場倒數的關系出現截距為-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。這些結果不僅給出了Bi超薄納米帶存在二維金屬表面態的實驗證據且首次清晰地表明該金屬表面態有可能是受拓撲保護的，如量子尺寸效應使經典的Bi半金屬轉變為拓撲絕緣體等。

　　這一研究工作對深入認識Bi的表面態及塊體單晶在強磁場下的各種量子行為具有重要的意義。相關研究成果發表在美國化學學會近期出版的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）在強磁場下的量子振蕩行為。