近期，北理工物理学院吴汉春研究员所参与的拓扑绝缘体纳米材料的光热电效应研究课题，在《Nano Letters (DOI: 10.1021/nl501276e，4389，2014)》上，发表了题为《Topological Surface State Enhanced Photothermoelectric Effect in Bi2Se3 Nanoribbons》的论文，引起业内关注。吴汉春研究员的研究由北京大学物理学院俞大鹏“纳米结构与低维物理”研究团队共同完成，并与北京大学国际量子材料科学中心孙栋教授、清华大学物理系周树云教授（ARPES测量）、比利时安特卫普大学的G. V. Tendeloo 教授和柯小行博士（球差矫正电镜原子分辨结构研究）形成了国际化的研究团队，他们共同合作完成了这一有关光热电效应的创新性研究课题。这一课题主要围绕新材料物理特性的研究开展，并将其应用于自旋极化载流子源产生方法的研究领域。

　　自旋电子学（Spintronics）是研究电子自旋属性的电子学分支领域，它具有广泛的应用前景，例如硬盘磁头技术就是自旋电子学领域中，最早商业化的研究应用，在磁性随机内存、自旋场发射晶体管、自旋发光二极管等也有很大的应用潜力。此外，电子自旋共振（ESR）也应用于固态物理、化学以及生物医学领域等多个方面。

　　自旋电子学的应用常需要能够产生自旋极化的载流子源，近年来，对于自旋极化载流子源产生方法的研究一直受到物理学界的重视。而通过对新材料物理特性的研究，是一种创新的研究思路，这其中拓扑绝缘体是重点研究材料之一。拓扑绝缘体作为一种新的量子物质状态，其内部与普通绝缘体相同，但边界或表面总是存在导电边缘态，并且具有非平庸的自旋和磁电特性。对拓扑绝缘体的研究有望为自旋极化的电流源的产生提供新的途径。

　　吴汉春研究员所在的科研团队就是将硒化铋（Bi2Se3）这种重要的三维强拓扑绝缘体作为研究对象。硒化铋（Bi2Se3）因具有稳定、易制备、能系较大等特点，成为近年来研究的热点。同时，硒化铋（Bi2Se3）也是很好的热电材料，在非均匀的光辐照下，会产生光热电效应。

　　由此特性，只需要对拓扑绝缘体表面分子结构进行有效控制，使之可以量化，因其内部绝缘特性，因此在光电效应作用下，其产生的电子全部来自于表面分子结构，由于其基本结构的可控性，就可以量化的分析出其所生成的自旋电子情况，一种可量化研究的自旋电子载流子源，其科研前景十分广阔。

 

　　在这一思路下，该研究团队利用化学气相沉积法（CVD），将硒化铋（Bi2Se3）制备成便于实验中使用的纳米带和纳米片。化学气相沉积法可以使反应物质在气态条件下发生化学反应，从而在加热的固态基体表面生成固态物质沉积，是一种制得固体材料的工艺技术。

　　针对制备好的实验材料，选取一横断面样本，使用高角度环形暗场-扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)进行表征，可以清楚地观察到沿[100]带轴的五元组层（QL）的序列−Se−Bi-Se−Bi−Se−的基本单元。利用角分辨光电子能谱（ARPES，利用光电效应研究固体的电子结构）观察硒化铋（Bi2Se3）的表面态。

 

线性偏振光、左旋偏振光和右旋偏振光对拓扑绝缘体Bi2Se3光热电效应的影响

 

　　通过阿哈拉诺夫玻姆效应（Aharonov−Bohm，AB效应，证明电磁场的矢势有直接的可观测的物理效应）和舒勃尼科夫―德哈斯效应（Shubnikov-de Haas，SdH振荡，固体材料的电阻（磁阻）随磁场的倒数呈周期性振荡的现象）测出拓扑绝缘体表面的狄拉克费米子（满足狄拉克方程的费米子，费米子即自旋为半整数（1/2，3/2…）的粒子）性质。使用圆偏振光（CPL）来选择性激发硒化铋（Bi2Se3）表面态电子，产生自旋极化的表面态，由于自旋方向与动量方向的锁定关系，样品中会产生电子定向运动的光电流。同时也观测到Bi2Se3中圆偏振光增强的光热电效应。该实验结果有望用于自旋极化的电流源的产生，将进一步推动对自旋电子学在生活中的应用。