摘要
拓扑绝缘体是一种能带具有特殊拓扑结构的量子材料，其体态绝缘，而边界上存在受对称性保护的无能隙电子态。本文将专注于研究时间反演对称保护的三维Z2拓扑绝缘体(以下简称拓扑绝缘体)，其表面态由自旋一动量锁定的无质量狄拉克费米子构成。拓扑绝缘体及其衍生结构可产生很多新奇的物理现象，例如“半整数”量子霍尔效应、量子反常霍尔效应、拓扑磁电效应等。在过去的十多年中，拓扑绝缘体受到了广泛的关注，是凝聚态物理中的一个重要研究领域。 提高体态绝缘体性和降低无序程度一直是拓扑绝缘体研究的核心挑战之一。早期研究较多的Bi2Se3、Bi2Te3和(Bi，Sb)2Te3等拓扑绝缘体化合物样品中的带电缺陷浓度较高，输运性质往往受到体电子态的影响。虽然利用栅压调控能够将化学势调控至体能隙内，从而实现表面态主导的电子输运，但其性质依然受到较强无序的影响。四元化合物(Bi，Sb)2(Te，Se)3(BSTS)的发现是一个巨大的进步，它具有体能隙大、迁移率高、体电阻率高等优点，但不太适合分子束外延(molecularbeam epitaxy，MBE)生长。近年来，受益于二维材料领域器件制备技术的发展，通过解离BSTS单晶制备的拓扑绝缘体器件展现出了迁移率高、场效应调控性强等特点，促进了拓扑绝缘体的研究。即便如此，还有很多与拓扑绝缘体有关的有趣问题有待实验上证实，例如表面态是否能够免于局域化，由厚度变化造成的拓扑量子相变是否存在，超导体和拓扑绝缘体构成的异质结中是否存在马约拉纳零能模等。以往的很多实验研究因受限于样品质量无法给出有说服力的证据，而通过解离BSTS单晶获得高质量的薄片样品为进一步研究拓扑绝缘体中的电子输运性质提供了新的平台。 在本文中，我们通过范德华力组装的方法制备了高质量的双栅调控BSTS器件，并系统研究了其电子输运特性，主要结果总结如下: 1.样品几何构型对输运测量的影响。在研究单晶解离得到的拓扑绝缘体薄片的输运性质时，人们常用具有非标准结构的器件，而对其纵向电阻率和霍尔电阻率的分析仍沿用标准霍尔条器件中的处理方式。我们采用数值模拟的方法对二维材料中常用的两类非标准器件中的电势和电流密度分布做了系统的分析，发现该类器件的输运测量结果受到几何结构影响。器件的纵向电阻和霍尔电阻与同等几何尺寸的标准器件相比有所偏差，并且在拓扑绝缘体器件中尤为明显。此外，该类器件还表现出由几何效应导致的正磁电阻与霍尔电阻对磁场的非线性依赖关系。因此，在实际研究中要谨慎处理器件几何结构对输运测量造成的影响。 2.在平行于样品表面的磁场作用下的磁电导。以往报道的拓扑绝缘体MBE薄膜样品在平行磁场中往往表现出较显著的准抛物型磁电导，这与体态较差的绝缘性有关。我们在BSTS中观测到的平行场负磁电导在零场附近表现为微弱的电导峰，在强磁场下则表现出准线性的行为，磁电导幅度在同等磁场下与MBE薄膜样品相比小两个量级以上。经过理论分析，我们发现BSTS中的磁电导来源于本征和外禀效应两种机制，二者均与电子的相干输运有关。其中，本征效应来源于塞曼效应，导致了强磁场下的准线性磁电导;外禀机制可能来源于电子在表面态与体态中电荷坑洼之间微弱的隧穿过程形成的导电通道，贡献了弱磁场下准抛物型、强磁场下趋于饱和的磁电导。 3.表面态受拓扑保护免于局域化的实验证据。在单电子图像下，因拓扑保护的影响，拓扑绝缘体的表面态不会因为存在无序而被局域化。然而，以往的研究结果表明，拓扑绝缘体在低温下的电阻-温度关系表现出类似弱局域化的特征，这是因为π贝里相位导致的反弱局域化效应被电子-电子相互作用产生的电导修正所压制。我们研究了高质量的BSTS样品在不同载流子浓度下纵向电阻对温度的依赖关系，发现当费米能级远离狄拉克点时表现出上述特征，而在接近狄拉克点时表现出类似金属性的特征;电导-温度关系随费米能级位置的变化规律总体上与有相互作用标度理论的预言大致符合。我们的实验结果支持了拓扑保护能够使表面态免于局域化。 概括起来，我们的研究展示了拓扑绝缘体的一些新的量子输运性质，加深了人们对拓扑绝缘体的理解，特别是揭示了无序对其输运性质有很大的影响。论文工作表明，进一步降低样品中的无序程度仍然是拓扑绝缘体研究领域亟待解决的核心问题。
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