掺杂拓扑绝缘体中的静电效应和能带弯曲

我们通过为相互作用的紧束缚模型开发自洽方案，研究了掺杂拓扑绝缘体中的静电效应。除了表面电子之外，体载流子的存在在表面附近产生了固有的非均匀电荷密度，因此出现了能带弯曲效应。我们发现电子掺杂和空穴掺杂产生大小相似、符号相反的能带弯曲效应。额外表面掺杂剂的存在打破了这种近似的电子-空穴对称性，并显著影响能带弯曲的幅度。施加栅极电压可以产生一个以载流子密度消失为特征的耗尽区。我们发现耗尽区与体相之间过渡区的密度分布与施加的电压无关。在薄膜中，静电效应强烈依赖于载流子电荷密度。此外，我们发现衬底诱导的势能在超薄拓扑绝缘体薄膜中可以产生Rashba型自旋轨道耦合。我们计算了拓扑绝缘体薄膜中体态和表面态的分布，并确定了两种态在空间同一区域局域化的条件。