拓扑绝缘体 Bi$_2$(Te$_{1-x}$Se$_x$)$_3$ 中的带间吸收边

我们通过红外椭偏光谱与反射率相结合，在 0.06 至 6.5 eV 能量范围内研究了拓扑绝缘体 Bi$_{2}$Te$_{3}$、Bi$_{2}$Se$_{3}$ 及其合金 Bi$_2$(Te$_{1-x}$Se$_x$)$_3$ 在 BaF$_{2}$ 衬底上的光学性质。对于 Bi$_2$Se$_{3}$ 中的带间吸收起始，在修正 Burstein-Moss 效应后，我们发现在 10 K 时直接带隙值为 $215\pm10$ meV。我们的数据支持如下图像：Bi$_2$Se$_{3}$ 具有位于布里渊区 $\Gamma$ 点的直接带隙，且价带延伸至狄拉克点并具有向下取向抛物面的形状，即无驼峰结构。在 Bi$_2$Te$_{3}$ 中，10 K 时强直接带间吸收的起始位于约 200 meV 的相似能量处，并在约 170 meV 处有较弱的附加特征。我们的数据支持近期的 GW 能带结构计算，其表明直接带间跃迁不在 $\Gamma$ 点发生，而是在布里渊区的 Z-F 线附近。在 Bi$_2$(Te$_{1-x}$Se$_x$)$_3$ 合金中，直接带间跃迁起始能量在 $x=0.3$ 附近（即 Bi$_2$Te$_2$Se 的成分）呈现极大值，表明布里渊区中两点间直接带间跃迁的交叉发生在该成分附近。