物理所等在FeSi(110)单晶表面金属态研究方面获进展

　　FeSi属于关联d电子窄能带半导体，具有低对称性手性立方晶体结构（B20体系）和优异的热电性能。FeSi的物理性质具有不寻常的温度依赖关系，与f电子近藤绝缘体极为相似。虽然能带计算表明FeSi的费米能级位于体相能隙当中，早期多个实验组对于该体系电输运测量却发现，FeSi的电阻在低温区间偏离热激活行为并出现饱和，显示出存在金属态的迹象，一般被认为与带隙中的杂质或缺陷能级相关。2018年美国加利福尼亚大学圣迪哥分校研究人员通过对高品质针状FeSi单晶的输运测量，在19K左右观察到明显的半导体-金属转变，并发现增加表面积-体积比可以提高转变温度，从而揭示了FeSi在低温下可能存在金属性表面态。

　　近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面物理实验室特聘研究员章一奇与德国慕尼黑工业大学及巴黎高等师范学院研究人员合作，给出了FeSi(110)单晶表面存在低温金属态的有力实验证据。 

　　研究人员利用类超高真空浮区法生长了高纯度FeSi系列单晶，通过对磁场下变温电输运测量数据分析，他们发现在25K以下FeSi(110)单晶存在一个电子型、高迁移率的表面导电通道，其载流子浓度和迁移率不随温度和微量磁性掺杂改变。研究人员在超高真空环境制备出原子级平整非重构FeSi(110)单晶表面（图1）。通过扫描隧道显微镜在原子尺度的结构表征并结合密度泛函理论计算，确定了FeSi(110)具有包含铁-硅原子对的特定截止面（图2）。

　　利用扫描隧道谱对无缺陷FeSi(110)表面在不同温区的电子结构研究表明，低温下该体系在费米能级附近形成宽度约为70meV的非对称能隙结构。值得注意的是，即使在最低测量温度1K下，仍可观测到FeSi体相能隙中的剩余态密度，在紧邻费米能级上下分别存在一个明显的电子态（图3）。研究人员利用密度泛函理论对具有特定截止面的FeSi(110)块体进行了能带计算，发现表面对称破缺会诱导产生穿越体相能隙的自旋极化能带。理论计算的表面能隙结构很好地再现非对称性和非零电子态密度这两个特征（图4）。然而，FeSi在低温下的表面金属态是否具有拓扑性质，以及是否与新型手性费米子相关需要进一步的实验和理论研究。

　　相关成果以Atomistic investigation of surface characteristics and electronic features at high-purity FeSi(110) presenting interfacial metallicity为题发表在PNAS上。

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图1 FeSi(110)单晶的表面结构 (a)FeSi的原胞结构 （b,c）FeSi(110)单晶样品和低能电子衍射照片 （d,e）原子级平整非重构FeSi(110)表面的STM形貌图

　　图2 FeSi(110)截止面分析 (a)FeSi(110)截止面的6种可能性 (b)FeSi(110)表面的实验STM高分辨形貌图以及理论模拟的M2截止面形貌图 (c)由铁-硅原子对组成的M2截止面示意图

　　图3 无缺陷FeSi(110)表面的扫描隧道谱 (a-f)1K下在FeSi(110)表面沿[1-10]方向的微分电导谱，在费米能级上下分别观察到P1和P2两个存在于体相能隙中的非零电子态 (g)能隙电子结构随温度的变化。

　　图4 (a)具有FeSi(110)-M2截止面块体的能带结构，图中灰色部分是体相能带在(110)面上的投影，橙色区域为体相能隙，红色和绿色曲线为自旋分辨能带 (b)FeSi(110)表面的布里渊区 (c)块体表面最外三个原子层（M2+S1+S2）与块体内部相同三个原子层的PDOS比较