《Applied Nursing Research》：Scanning tunneling microscope tip-induced formation of Bi bilayers on Bi2Te3
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通过扫描隧道显微镜（STM）施加正电压脉冲（≥3V），在Bi?Te?(111)表面成功形成Bi(111)双层岛及周围坑状结构，负脉冲仅产生坑而无法形成双层岛。原子分辨STM成像证实双层结构与Bi?Te?基面晶格匹配，并发现缺陷扩散现象。机制涉及电场蒸发与隧穿电流焦耳热的协同作用，电压极性影响重构过程。
杜勇（Duy Nguyê?n）| 杰伊·A·古普塔（Jay A. Gupta）
美国俄亥俄州立大学物理系，地址：191 W Woodruff Ave, 哥伦布，43210, OH, 美国
摘要
我们报告了在 Bi2Te3(111) 表面上，通过扫描隧道显微镜（STM）探针施加电压脉冲诱导形成的 Bi(111) 双层岛屿和坑洞结构。当电压超过某一阈值（约 +3 V）时，会形成直径约为 0.5 μm 的坑洞，这些坑洞的大小与探针相当。重新沉积的材料自组装成具有与基底 Bi2Te3 表面相同晶格常数的原子有序岛屿网络。从脉冲位置开始，岛屿的大小逐渐减小，直到恢复到原始的 Bi2Te3 表面。基于原子分辨率图像、台阶高度分析以及隧穿光谱学研究，我们确定这些岛屿属于 Bi 双层结构。双层形成的过程依赖于偏压极性，并且存在缺陷扩散的现象，这表明其形成机制可能是由场蒸发作用与隧穿电流引起的焦耳热共同驱动的。
引言
双层 Bi(111) 中量子自旋霍尔（QSH）相的预测引发了人们对三维拓扑绝缘体（3D TIs）上双层结构研究的极大兴趣，例如 Bi2(Te, Se)3 系列[1]、[2]、[3]、[4]。这类系统中的二维拓扑绝缘体与三维拓扑绝缘体界面促进了新兴拓扑现象的深入研究[4]、[5]、[6]。最近的综述强调了这类界面驱动现象的重要性及其潜在的器件应用前景[7]、[8]。通过在 Bi 基底的 Ti 表面上采用分子束外延（MBE）[3]、溅射和退火处理[10]、[11]，以及在室温下对 Bi2Se3 进行切割[12]、[13]，已经实现了 Bi 双层结构的制备。为了实现局域化的纳米级图案化，先前的研究通过 STM 探针施加电压脉冲在 Bi 表面上实现了可重复的图案化[14]，其重构机制被归因于电场蒸发作用，这一点通过阈值电压与探针-样品间距的线性关系得到了证实。
在这里，我们展示了一种基于 STM 的方法，可以在 Bi2Te3 表面上形成 Bi 双层纳米结构，并通过原子分辨率确认了其晶格和电子结构。正电压脉冲（≥3 V）会在脉冲位置产生一个坑洞及其周围的 Bi 双层结构网络；而负电压脉冲虽然也会产生类似坑洞，但不会形成 Bi 双层结构。原子分辨率成像显示，Bi 双层结构与基底 Bi2Te3 的晶格相匹配。坑洞附近的点缺陷分布不均匀，以及阈值和偏压依赖性表明，该形成机制受到电场蒸发和焦耳热的共同影响。
方法论
所有 STM 测量均在 4.5 K 的超高真空（UHV，10?11 mbar）环境中使用 CreaTec STM 系统进行。实验中使用了机械切割的 PtIr 探针以及电化学蚀刻的 Ni、Cr 和 W 探针，其尖端特性通过扫描电子显微镜（SEM）进行了表征。除非另有说明，此处展示的所有数据均使用 Ni 探针获得。扫描隧道谱（dI/V）是通过施加 50 mV 的交流偏压调制（877 Hz）并采用锁相检测技术获得的。地形图
结果与讨论
图 1(a) 显示了原始 Bi2Te3(111) 表面的 STM 地形图像。该表面通常呈现出微米级、原子级平坦的台阶，原子台阶的出现频率较低。这些台阶的高度约为 1 nm，对应于 Bi2Te3 结构的五层堆叠（QL）。原子级分辨的图像（插图）显示了由 Te 原子构成的三角晶格，以及少量的本征点缺陷。主要的缺陷——Te 空位——表现为暗斑
作者贡献声明
杜勇（Duy Nguyê?n）： 负责撰写、审稿与编辑、原始草稿的撰写、可视化处理、方法论设计、实验研究、数据分析、概念框架的构建。杰伊·A·古普塔（Jay A. Gupta）： 负责撰写、审稿与编辑、结果验证、项目监督、资源协调、方法论制定、资金申请以及概念框架的构建。
利益冲突声明
作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益/个人关系：杜勇（Duy Nguyen）和杰伊·A·古普塔（Jay A. Gupta）表示，他们获得了美国能源部的财政支持。如果还有其他作者，他们也声明没有其他可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了美国能源部基础能源科学办公室（U.S. Department of Energy, Office of Basic Energy Sciences）的支持，项目编号为 DE-SC0016379。
