清华大学物理系季帅华教授及其合作者在PbTe薄膜晶体对称性变化诱导的能隙振荡研究取得进展

能隙是半导体最基本的物理参数，决定了半导体材料诸多的物理特性（如电学、光学等特性）及其在实际器件中的应用范围。现代电子学器件尺寸已经逼近原子尺度，能隙大小随尺寸变化的研究对未来电子学具有重要意义。前期的研究表明，随着半导体纳米颗粒/纳米片的尺寸接近激子半径时，量子限制效应将导致半导体能隙显著增大。除了尺寸效应外，晶体的对称性也将影响电子能带结构。对于原子级厚度的薄膜，奇数和偶数层通常呈现出不同的晶体对称性，由此会诱导出电子结构随原子层数奇偶周期性振荡的现象。尽管对称性变化引发的能隙振荡在许多一维和二维的体系中（包括石墨烯纳米带、碳纳米管、氮化硼纳米带和纳米管和二维的铋的氧硫薄膜等）已经有理论预言，但是到目前为止，由于在原子级精度制备和表征纳米尺度半导体的困难，这方面的实验研究还非常少，由对称性变化诱导的能隙振荡现象还没有得到实验验证。

图1 （a）PbTe薄膜扫描隧道谱，（b）Pbte薄膜能隙大小随原子级厚度的变化。

近期，物理系季帅华教授及其合作者结合分子束外延、扫描隧道显微镜和第一性原理计算，在单原子层的精度下揭示了PbTe超薄膜的能隙随着厚度的演化规律（图1）。当PbTe薄膜的厚度降低到原子级层厚时，能隙不仅从0.19 eV 增大到1.06 eV，而且还展现出奇偶层厚振荡的现象。这一现象主要因为奇数层PbTe薄膜的晶体对称性是P4/mmm（具有镜面对称面），而偶数层薄膜的对称性为P4/nmm（具有滑移对称面），对称性的变化诱导了能带结构和能隙大小的奇偶振荡效应（图2）。该工作揭示了晶格结构对称性对原子级尺度半导体能隙的重要影响，并为在原子尺度调控半导体物理特性提供重要实验基础。

图2 （a）6-9个原子层厚的PbTe薄膜的电子能带结构图，（b）奇偶层数变化时薄膜对称性变化示意图，（c）第一性原理计算得到的PbTe薄膜能隙随层厚变化的奇偶振荡。

该研究成果以“Oscillation of Electronic-Band-Gap Size Induced by Crystalline Symmetry Change in Ultrathin PbTe Films”为题发在Physical Review Letters上（Phys. Rev. Lett. 131, 016202 (2023)）。该工作由季帅华教授、陈曦教授、薛其坤院士、北京量子信息科学研究院常凯研究员以及香港科技大学的刘军伟教授等合作完成。季帅华教授、陈曦教授和刘军伟教授为该论文的通讯作者。该项工作得到了科技部、国家自然科学基金和清华大学物理系低维量子国家重点实验室的支持。

文章链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.016202

转自：“创新清华”微信公众号

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