Dimensional Crossover and Topological Nature of the Thin Films of a Three-Dimensional Topological Insulator by Band Gap Engineering

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作者
Zhenyu Wang,Tong Zhou,Tian Jiang,Hongyi Sun,Yunyi Zang,Yan Gong,Jianghua Zhang,Mingyu Tong,Xiangnan Xie,Qihang Liu,Kai Chen,Ke He,Qi‐Kun Xue
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:19 (7): 4627-4633 被引量:29
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.9b01641
摘要

Identification and control of topological phases in topological thin films offer great opportunities for fundamental research and the fabrication of topology-based devices. Here, combining molecular beam epitaxy, angle-resolved photoemission spectroscopy, and ab initio calculations, we investigate the electronic structure evolution in (Bi 1– x In x ) 2 Se 3 films (0 ≤ x ≤ 1) with thickness from 2 to 13 quintuple layers. By employing both thickness and In substitution as two independent “knobs” to control the gap change, we identify the evolution between several topological phases, i.e., dimensional crossover from a three-dimensional topological insulator to its two-dimensional counterpart with gapped surface state, and topological phase transition from a topological insulator to a normal semiconductor with increasing In concentration. Furthermore, by introducing In substitution, we experimentally demonstrated the trivial topological nature of Bi 2 Se 3 thin films (below 6 quintuple layers) as two-dimensional gapped systems, consistent with our theoretical calculations. Our results provide not only a comprehensive phase diagram of (Bi 1– x In x ) 2 Se 3 and a route to control its phase evolution but also a practical way to experimentally determine the topological properties of a gapped compound by a topological phase transition and band gap engineering.
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