半導(dǎo)體所在砷化鎵/鍺中拓撲相研究方面獲重要發(fā)現(xiàn)

　　中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所常凱研究組提出利用表面極化電荷在傳統(tǒng)常見半導(dǎo)體材料GaAs/Ge中實現(xiàn)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(dǎo)的拓撲絕緣體相，這為拓撲絕緣體的器件應(yīng)用又向前推進了一步。

　　拓撲絕緣體是目前凝聚態(tài)物理的前沿?zé)狳c問題之一。它具有獨特的電子結(jié)構(gòu)，在體內(nèi)能帶存在能隙，表現(xiàn)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(tài)。這種量子物態(tài)展現(xiàn)出豐富而新奇的物性，如量子自旋霍爾效應(yīng)、磁電耦合、量子反?；魻栃?yīng)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(dǎo)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(yīng)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(dǎo)體材料GaN/InN/GaN中發(fā)現(xiàn)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(dǎo)體材料GaAs/Ge系統(tǒng)中實現(xiàn)拓撲絕緣體相。GaAs/Ge系統(tǒng)與GaN/InN/GaN系統(tǒng)相比不同的地方是，GaAs材料和Ge材料晶格常數(shù)匹配，更易于材料的生長。另外GaAs/Ge是傳統(tǒng)的半導(dǎo)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(dǎo)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。