【摘要】 本文通过扫描隧道显微镜（STM）与密度泛函理论（DFT）协同研究，揭示金在Bi2Se3表面的扩散动力学规律。实验测得扩散能垒0.47 eV，DFT计算验证界面吸附构型能量差异，为自旋电子器件中金触点的热稳定性设计与工艺优化提供关键数据支持。

研究背景与价值

拓扑绝缘体Bi2Se3因其独特的表面电子态（无质量狄拉克电子）和室温稳定性，成为自旋电子器件开发的关键材料。该材料表面自旋极化方向与电荷输运方向垂直的特性，使其能通过非磁性触点直接产生自旋极化电流。金属金（Au）作为Bi2Se3的理想电接触材料，既能实现高效电荷注入，又可保持表面态的自旋锁定特性。然而，金膜的生长模式与热稳定性直接影响纳米器件的性能，研究其扩散能垒对优化触点设计至关重要。

 

实验方法：STM观测与DFT计算协同

1. 扫描隧道显微镜（STM）动态观测

实验流程：​

  • ​样品制备：​ 通过机械剥离获得原子级平整的Bi2Se3表面（图1），台阶高度1-5 nm，平台宽度>500 nm。
  • ​金沉积与退火：​ 室温沉积3 nm金形成纳米岛（图2a），随后在300K-550K温度梯度下退火，观察金岛演化规律。

关键发现：​

  • ​室温成膜特性：​ 金以Volmer-Weber模式生长，形成1-2 nm横向尺寸的三维岛状结构（图2a）。
  • ​热稳定性阈值：​ 400K为形态突变临界点，金岛开始扩散并聚集成更大结构（图2b-h）。500K以上金岛尺寸增长5倍，最大高度超40 nm。
  • ​扩散能垒计算：​ 基于阿伦尼乌斯方程拟合（图3b），实验测得扩散能垒Ed=0.47±0.06 eV。

图1  500纳米 × 500纳米的扫描隧道显微镜图像的原始 Bi2Se3剥落后的一个新的表面。

图2 200nm × 200nm 的扫描隧道显微镜(STM)图像显示 Bi2Se3表面的演化，样品温度从300K (a)开始，到550K (h)结束。

图3 (a) Bi2Se3上金密度随温度变化的测井曲线。(b)同一数据的 Arrhenius 图。暗线与公式(3)中的数据相吻合

 

2. 密度泛函理论（DFT）验证

计算模型：​

  • 构建五重层（QL）Bi2Se3表面模型（晶格参数a=4.14Å，c=28.64Å），分析金原子在10种吸附位点的能量差异。
  • ​关键结果：​ 最高与最低能量构型差值为0.43 eV（图5），与实验值0.47 eV高度吻合，证实Bi2Se3表面金扩散需克服较高能垒。

图5显示了10种 Bi2Se3/Au 构型的计算能量。

 

核心结论与器件设计启示

1.扩散动力学规律：​ 金在Bi2Se3表面的扩散激活能为0.47 eV，高于MoS2等范德瓦尔斯材料，导致其生长模式差异显著。

2.​热稳定性限制：​ 400K以上金膜发生不可逆粗化，器件制造需控制温度并增加触点厚度（>40 nm）。

3.优化方向：​ 通过界面工程（如插入缓冲层）可能提升金触点的热稳定性，为自旋电子器件提供可靠电极方案。

 

参考文献：1.Kidd T E, Lukashev P V, Stuelke L, et al. Diffusion energy barrier of Au on Bi2Se3: theory and experiment[J]. Physica Scripta, 2021, 96(12): 125708.

 

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