偏压调控的ITO/Bi2Se3/Co/Au异质结从体绝缘到拓扑表面导电态的转变及红外探测研究

本文报道了ITO/Bi2Se3/Co/Au异质结中由偏压（Vbias）诱导的量子态转变现象：当偏压从?0.7V增至?1V时，电流（I）从nA级跃升至mA级，实现592倍增幅，证实了从"体绝缘/表面导电混合态"到"表面主导拓扑态"的转变。该器件在红外波段（700-1400 nm）展现9×103的光暗电流比，660 nm激光下则出现-95%的负光电响应。磁输运测量验证了拓扑表面态（TSS）的鲁棒性，为拓扑绝缘体（TI）在自旋电子学（Spintronics）和红外焦平面阵列的应用提供了新范式。

　　

亮点

我们制备的ITO/Bi₂Se₃/Co/Au异质结展现出令人瞩目的量子态切换能力——仅需将偏压从?0.7V微调至?1V，电流便如同"量子开关"般骤增592倍，从纳安（nA）跨越到毫安（mA）量级。这种戏剧性转变揭示了体系从"体绝缘与表面导电混合态"到"纯粹拓扑表面态（TSS）"的演化过程，如同在材料中按下"拓扑相变"的启动键。

结构表征

高分辨场发射扫描电镜（FE-SEM）图像（图1a）显示Bi₂Se₃薄膜具有原子级平整表面，横截面图像（图1b）中红色虚线清晰勾勒出异质结的"三明治"结构。X射线衍射（XRD）谱中（003）晶面的特征峰证实了Bi₂Se₃的晶体质量，而拉曼光谱中72 cm^-1和131 cm^-1的振动模式如同材料的"指纹"，确证了其本征拓扑特性。

结论

这项研究实现了三大突破：1）通过偏压精准调控拓扑表面态占比，如同"量子旋钮"般操纵导电通道；2）在红外波段创下9×10³的光暗电流比纪录，660 nm激光下却出现反常的负光电响应，暗示能带结构的"跷跷板效应"；3）磁输运实验证实表面态对磁场取向的独特响应，为自旋器件开发铺设了新道路。这些发现使拓扑绝缘体向红外焦平面阵列和室温自旋器件的实际应用迈出关键一步。