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拓扑绝缘体作为一种新型的拓扑电子材料,由于其电子能带的拓扑性质在凝聚态物理学领域受到广泛的关注。三维拓扑绝缘体拥有独特的电子能带结构:其体态的能带结构是有带隙的,类似于窄带隙的半导体;同时其表面态的能带结构是无带隙的狄拉克型线性色散关系,类似于石墨烯。对于理想的三维拓扑绝缘体,其电子输运仅来源于表面态拓扑电子的贡献,这些载流子受到背散射禁戒的拓扑性保护,同时又有自旋极化的特性,在高速电子器件和自旋
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拓扑绝缘体作为一种新型的拓扑电子材料,由于其电子能带的拓扑性质在凝聚态物理学领域受到广泛的关注。三维拓扑绝缘体拥有独特的电子能带结构:其体态的能带结构是有带隙的,类似于窄带隙的半导体;同时其表面态的能带结构是无带隙的狄拉克型线性色散关系,类似于石墨烯。对于理想的三维拓扑绝缘体,其电子输运仅来源于表面态拓扑电子的贡献,这些载流子受到背散射禁戒的拓扑性保护,同时又有自旋极化的特性,在高速电子器件和自旋极化电子器件的应用上有着美好的前景。除此之外,由于表面态无带隙的线性能带色散关系,拓扑绝缘体也在太赫兹光激发和宽频吸收光电器的应用领域有着天然的优势。对于Bi基拓扑绝缘体家族,学者们进行了大量的研究并取得了飞速的进展,随着材料质量的不断优化目前已经得到表面态输运占据主导的拓扑绝缘体。作者在本文中致力于Sn-Bi1.1Sb0.9Te2S这种高质量拓扑绝缘体的介观电子器件研究,力图揭示其内在的电子相互作用机制并寻找光电应用前景。我们生长了高质量的Sn-Bi1.1Sb0.9Te2S拓扑绝缘体,制备的介观器件霍尔迁移率高达10000 cm~2/Vs以上,得到了高纯度的拓扑表面态电输运的二维量子系统。我们在观察到高精确度的量子霍尔效应的基础上,发现在高度量子化的定域态,电子输运耗散的主导在20K的临界温度从热激活行为转变为变程跳跃行为。在20K以下的变程跳跃耗散温度区间,我们研究了量子霍尔平台转变区域的非定域态与温度的标度律关系,给出拓扑表面态的普适系数～0.2。我们进一步通过弱反局域化的实验给出表面态拓扑电子非弹性散射的温度系数p～1.1。这一系列实验表明,在拓扑表面态这一个特殊的二维电子系统,同样存在非局域化长度与温度的标度律关系。这证实了在拓扑表面态的量子霍尔相变区域,量子渗流模型的统计同样适用,并且对于一个理想的拓扑绝缘体,表面态拓扑电子所受到的非弹性散射主要来自于电子-电子相互作用。在进一步的工作中,我们在Sn-Bi1.1Sb0.9Te2S拓扑绝缘体的场效应器件中观测到了巨大的非易失光电导响应。我们通过实验发现,光电导响应的灵敏度取决于表面态化学势的位置,并且光电导的记忆效应可以通过门电压和温度调控来擦除。在实验现象的基础上,我们提出了拓扑绝缘体自身的光激发掺杂机制:光照激发体态的缺陷态并且使得载流子跳跃到导带并最终释放到表面态,显著的改变了表面的输运。我们发现这种光掺杂效应也可以通过展宽量子霍尔平台和改变狄拉克点位置的方式调节量子霍尔效应。
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