通过化学吸附实现 Bi$_2$Se$_3$ 表面载流子掺杂——一项 DFT 研究
材料科学
2023-10-25 v1 化学物理
摘要
BiSe 是最具前景的拓扑绝缘体之一，但由于 Se 空位导致的本征 n 型掺杂，其费米能级移入体传导带，从而产生拓扑平庸载流子。最近研究表明，该费米能级偏移可通过局部受控的表面 p 型掺杂过程（经由水吸附和极紫外（XUV）辐照）加以补偿。本文借助密度泛函理论（DFT）研究该表面掺杂的微观机制，重点关注 HO、OH、O、C 和 CH 在 BiSe 上的吸附。我们发现水吸附的掺杂效应可忽略，而羟基导致 n 型掺杂。碳在 Se 空位上的吸附引起 p 型掺杂，但也强烈改变狄拉克点附近的电子能带结构。只有当 Se 空位被氧原子填充时，才能复现实验观测到的、不改变拓扑表面能带的 p 型掺杂。基于 DFT 结果，我们提出一条反应路径：光子吸收引起水解离，生成的 O 原子填充 Se 空位；吸附的 OH 基团作为中间态出现，且碳杂质可能具有催化作用，与实验观测一致。
引用
@article{arxiv.2310.14177,
title = {Carrier doping of Bi$_2$Se$_3$ surface by chemical adsorption -- a DFT study},
author = {Cheng Fan and Kazuyuki Sakamoto and Peter Krüger},
journal= {arXiv preprint arXiv:2310.14177},
year = {2023}
}