在高靶材利用率溅射（HiTUS）工艺制备的Bi0.85Sb0.15薄膜中，表面态传输表现出良好的稳定性

《Advanced Electronic Materials》：Robust Surface State Transport in High Target Utilization Sputtering (HiTUS) Grown Bi0.85Sb0.15 Thin Films

拓扑绝缘体Bi?.??Sb?.??薄膜通过高靶利用溅射（HiTUS）制备，研究不同溅射能量与退火条件对其结构、表面形貌及量子输运特性的影响。结果表明，退火后薄膜晶体结构为三角晶系R3M，表面粗糙度低至0.57 nm，在3 K低温下显著表现出弱反局域化（WAL）效应，通过Dirac费米子模型拟合得到费米速度57.1 ± 0.2 km/s，与单晶ARPES数据一致，且未退火的高能溅射膜亦存在表面态传导。该技术为工业级制造TI薄膜提供了新途径。

　　随着信息技术的迅猛发展，传统半导体技术在微型化和能效提升方面面临着越来越大的挑战。半导体器件的尺寸持续缩小，而同时对功耗的需求却在上升，这使得寻找新型材料和工艺成为实现持续技术进步的关键。拓扑绝缘体（Topological Insulators, TIs）因其独特的拓扑表面态，展现出在低功耗电子器件中的巨大潜力。这些表面态具有强自旋-轨道耦合特性，能够实现高效的电荷-自旋转换，为自旋电子学（Spintronics）提供了新的发展方向。因此，研究如何高效地制备高质量的拓扑绝缘体薄膜成为当前材料科学领域的重要课题。

在本研究中，科学家们采用了一种称为“高靶材利用率溅射”（High Target Utilization Sputtering, HiTUS）的新技术，在Si/SiO?（100）基底上制备了Bi?.??Sb?.??拓扑绝缘体薄膜。HiTUS技术通过远程氩等离子体的使用，使得溅射过程中的能量控制更为灵活，从而扩展了薄膜生长的条件参数空间。与传统的磁控溅射（Magnetron Sputtering）相比，HiTUS技术将等离子体生成与靶材加速电压解耦，这不仅提高了薄膜的质量，还使得在工业生产中实现高精度、可扩展的薄膜制备成为可能。

Bi?.??Sb?.??作为一种典型的拓扑绝缘体材料，在特定的化学计量比范围内表现出独特的拓扑表面态。通过HiTUS技术制备的Bi?.??Sb?.??薄膜，在结构、表面形貌和电子输运性质方面都展现出了优异的性能。实验中，研究者们通过原子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM）对三种不同能量条件下的薄膜进行了表面形貌分析。结果显示，低能量条件下的薄膜表面粗糙度较高，存在大量不规则的晶粒；而在高能量和高能量退火条件下，晶粒尺寸显著减小，表面几乎无粗糙结构，且其均方根（RMS）粗糙度仅为0.57纳米，这一数值接近甚至优于传统磁控溅射或分子束外延（Molecular Beam Epitaxy, MBE）技术所制备的同类薄膜。

进一步的X射线衍射（X-ray Diffraction, XRD）分析表明，高能量退火的Bi?.??Sb?.??薄膜能够结晶为三斜晶系的R3M空间群，并且其表面取向为（003）。这一结构特征不仅有助于提升薄膜的表面态质量，还为后续的电子输运性质研究奠定了基础。同时，通过X射线反射率（X-ray Reflectivity, XRR）测量，研究者们确认了薄膜的厚度及其表面粗糙度，为后续的薄膜性能评估提供了关键数据。

在电子输运性质方面，研究团队通过磁输运测量分析了Bi?.??Sb?.??薄膜的弱反局域化（Weak Antilocalization, WAL）行为。WAL是一种在二维导电系统中由于电子波函数的反向散射路径产生干涉效应而引起的量子输运现象，是拓扑绝缘体表面态的重要特征之一。研究发现，在3 K低温下，高能量退火的Bi?.??Sb?.??薄膜表现出显著的WAL效应，且其幅度超过了文献中报道的其他材料。通过将WAL行为拟合到Dirac费米子模型，研究团队成功地计算出了该材料的费米速度为57.1 ± 0.2 km/s，这一数值与通过角分辨光电子能谱（Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy, ARPES）测量得到的Bi?.?Sb?.?单晶表面态的费米速度一致，显示出高能量退火薄膜的表面态质量达到了较高水平。

此外，研究还发现，在未进行退火处理的高能量薄膜中，虽然其结构为多晶态，但仍然能够表现出拓扑表面态的输运特性。这表明HiTUS技术在不依赖外部加热的情况下，仍能有效调控薄膜的表面态行为。这一发现对于在柔性基底或对热敏感材料上应用拓扑绝缘体薄膜具有重要意义，因为传统工艺通常需要高温退火步骤，这在某些基底材料上可能不可行。例如，在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等柔性基底或二维材料如二维钙钛矿上，HiTUS技术可以提供一种更温和、更可控的薄膜生长方式。

研究团队还通过XRR和XRD技术分析了薄膜的厚度和结构特性，发现高能量退火的Bi?.??Sb?.??薄膜厚度为11.7纳米，其表面和底面的粗糙度均较低，这有助于减少界面散射效应，提高表面态的导电性能。在磁输运测量中，高能量退火薄膜表现出更为显著的WAL效应，且其电子散射时间（弹性散射时间）和相位散射时间（相位相干时间）均优于未退火的薄膜，这进一步验证了其表面态质量的提升。

值得一提的是，研究团队利用Dirac费米子模型对WAL行为进行了深入分析。该模型专门用于描述拓扑绝缘体表面态的量子输运特性，能够准确提取出费米速度、相位相干长度和弹性散射长度等关键参数。结果显示，高能量退火薄膜的费米速度、相位相干长度和弹性散射长度均达到较高水平，这表明其表面态的输运特性优于传统磁控溅射薄膜，甚至可以与MBE技术所制备的薄膜相媲美。这一结果不仅为拓扑绝缘体薄膜的工业化生产提供了新的思路，也为其在自旋电子学、低功耗器件等领域的应用奠定了坚实的基础。

综上所述，本研究通过HiTUS技术成功实现了Bi?.??Sb?.??拓扑绝缘体薄膜的高质量制备，并揭示了其在不同生长和退火条件下的结构与输运特性变化规律。研究发现，HiTUS技术不仅能够提供高利用率的靶材，还能在不依赖高温退火的情况下，实现薄膜表面态的高质量形成，从而拓展了拓扑绝缘体薄膜在多种基底材料上的应用前景。这一技术的进步将为未来低功耗电子器件的设计与制造提供重要的材料基础和工艺支持。