在Bi2Se3上生长的碲薄膜中，由应变驱动的结构有序化现象

《Applied Surface Science》：Strain-driven structural ordering in tellurium films grown on Bi2 Se3

　　Jyoti Sharma | Mrinal Manna | Ziya S. Aliev | Rajib Batabyal | Sanjoy Kr Mahatha
UGC-DAE 科学研究联盟，Khandwa Road, Indore 452001, Madhya Pradesh, India

**摘要**
将碲（Te）薄膜沉积在 Bi2Se3 基板上，并对其表面结构进行了系统研究。这种碲涂层表现出非凡的稳定性，经过短暂的空气暴露和轻微退火后，其低能电子衍射（LEED）和X射线光电子能谱（XPS）特征完全恢复。LEED和扫描隧道显微镜（STM）研究揭示出一种有序的矩形晶格结构，该结构通过晶格匹配与基底形成。晶格计算表明存在基底诱导的各向异性应变，这可能为探索碲薄膜材料性质的应变驱动可调性提供有用的平台。

**引言**
自2004年石墨烯发现以来，二维（2D）材料因其独特的电子性质而备受关注，这些性质源于载流子在表面的量子限制以及无质量狄拉克费米子的存在[2]、[3]、[4]、[5]。因此，人们特别关注其他2D材料，如二硫化铋[6]、硅烯[7]、[8]、锑烯[10]和斯坦烯[12]，这些材料表现出优异的电子、光学和热力学性能。然而，成功生长这些2D材料需要仔细选择合适的基底，以提供稳定的化学环境，从而决定材料的整体质量和功能性。在这方面，层状拓扑绝缘体如二硒化铋（Bi2Se3）和二碲化铋（Bi2Te3）因其范德华特性、强的自旋轨道耦合（SOC）、稳定的化学终止层以及与薄膜生长的兼容性（特别是支撑层与沉积材料之间的化学兼容性[13]、[14]、[15]）而成为有前景的基底。多项报告已经展示了在 Bi2Se3[16]、[17]和 Bi2Te3[18]、[19]上外延生长锑烯和斯坦烯的成功案例，使其成为实现新型量子相和推动先进电子及热电应用的理想候选材料。

近年来，作为VI族硫属元素的碲因具有高迁移率、稳定性、可调带隙以及优异的热电和光学性能[20]、[21]、[22]而成为一种新的2D材料。在寻找其外延生长方法的过程中，碲已成功沉积在多种基底上，包括石墨烯[23]以及金属表面如Cu(111)[24]、Ni(111)[25]、Au(111)[26]、Ag(111)[27]。尽管具有类似X烯的特性，但外延薄膜的生长过程常常伴随着晶格失配、界面应变和缺陷形成，这些因素会显著影响最终材料的性能。因此，许多研究集中在调节碲的晶格常数以控制其物理和电子性质上。这一方法始于观察到通过对碲和硒施加压力可以引发结构和半导体-金属转变，从而改变晶格常数[28]、[29]、[30]。例如，在 Bi2Te3[31]上生长碲薄膜会导致其拓扑性质的变化。随后，还在掺铬的 (Bi,Sb)2Te3 (CBST) 和 Bi2Te3 上生长了碲薄膜，以研究沉积层中的应变[32]、[33]。虽然已经报道了基于 Bi2Te3 的系统（包括 CBST）中由应变引起的结构相变和碲涂层的变化，但对其姊妹化合物 Bi2Se3 的相应研究仍相对较少，尤其是在室温（RT）条件对畴形成、应变适应性和界面有序性的影响方面。此外，我们的结果揭示了晶格常数的基底选择性调节以及对电子结构的微妙修改。

因此，我们首次系统地详细研究了在室温下生长在 Bi2Se3 上的碲薄膜的结构。最初使用 LEED、XPS 和 STM 对基底进行了表面表征。通过逐步沉积碲并利用 LEED 分析和 STM 地形图来追踪表面结构的变化。结果表明，碲薄膜形成了具有六畴结构的有序矩形晶格，并且由于与基底的晶格失配而产生了应变。研究表明，室温下的碲薄膜沉积能够实现基底选择性的各向异性应变和多畴排序，这有助于加深对低维异质结构的理解。观察到由应变驱动的矩形晶格和碲薄膜的晶体生长为调控畴形成及相应的电子结构提供了直接途径。这种控制对于工程化表面态和设计未来的拓扑及低维电子设备至关重要。

**实验方法**
单晶 Bi2Se3 结晶采用布里奇曼法[34]制备。首先，从元素组分合成多晶前驱体，并将其装入锥形石英管中，然后在低于10^-5 Pa的真空条件下密封。随后将石英管以每小时1.5毫米的速度从布里奇曼炉的T1区（1050 K）移至T2区（900 K）。最终得到的锭块为高质量的单晶块。

**结果与讨论**
Bi2Se3 以菱形结构结晶，具有六方对称性，具有稳定的 (0001) 解理面和平面晶格常数4.2 ?。-high resolution core-level XPS 测量用于研究室温下碲沉积对 Bi2Se3 的影响。补充信息中的图 S1 显示了原始 Bi2Se3 和沉积碲21分钟后的光谱，清晰地显示了与碲相关的峰，证实了碲的生长并且没有其他杂质的存在。

**结论**
总之，我们研究了在室温下沉积在 Bi2Se3 上的碲薄膜的生长和原子结构。这些薄膜表现出优异的空气稳定性，暴露在空气中后其结构和化学特征完全恢复。结果表明，薄膜形成了具有六畴结构的矩形晶格，平面晶格常数显示出由 (3aBi2Se3～a2+b2) 匹配条件引起的明显应变。这种基底诱导的应变为调节晶格常数提供了一种有效方法。

**作者贡献声明**
Jyoti Sharma：撰写——初稿、验证、资源准备、方法学研究、数据分析、概念化。
Mrinal Manna：撰写——审稿与编辑、方法学研究、数据分析。
Ziya S. Aliev：撰写——审稿与编辑、验证、资源准备。
Rajib Batabyal：撰写——审稿与编辑、方法学研究、数据分析。
Sanjoy Kr Mahatha：撰写——审稿与编辑、验证、监督、项目管理、资源协调。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的可能影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

**致谢**
S. K. M. 感谢印度政府的 ANRF（ANRF/ECRG/2024/000883/PMS）总理早期职业研究基金的支持。