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拓扑绝缘体薄膜中发现新奇光电导特性

    近期,我室徐文研究员领导的课题组在拓扑绝缘体薄膜的光电特性研究方面取得进展。相关研究结果发表在《应用物理》(Journal of Applied Physics 117, 175305, 2015)杂志上。

    拓扑绝缘体作为一种全新的量子材料,其光学和输运特性引起了人们的高度重视和广泛关注。最近我们对拓扑绝缘体薄膜的光电导特性进行了深入系统的理论研究。研究发现:(1)拓扑绝缘体薄膜具有清晰可辨的体态和表面态,体态具有较大的带隙(能量在中红外波段内)而表面态的带隙能量在太赫兹波段内并且可以通过薄膜的厚度来调节;(2)由于表面态和体态之间存在不同的电子跃迁通道,拓扑绝缘体薄膜的光电导谱具有三个特征光吸收区间:在低频区(太赫兹波段)自由载流子吸收可以导致光吸收窗口的出现;在中频区(中红外波段)表面态跃迁可以导致饱和光吸收的出现进而引起所谓的通用光电导现象(Universal Optical Conductivity);在高频区(近红外波段)体态跃迁可以导致光吸收峰的出现。另外,研究还发现拓扑绝缘体薄膜的光电导对温度、载流子浓度以及薄膜厚度具有很强的依赖关系。以上这些研究结果有助于深入理解拓扑绝缘体薄膜的光电物理机制,为拓扑表面态的光学探测提供了一定的理论依据。

(a) 拓扑绝缘体薄膜示意图; (b) 拓扑绝缘体薄膜体态(红线)和表面态(蓝线)示意图, 绿色箭头表示体态和表面态之间存在不同的电子跃迁通道;(c)不同电子跃迁通道对拓扑绝缘体薄膜光电导的贡献(参考b图)

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