应变诱导α-Sn/InSb(111)拓扑狄拉克半金属中量子限域效应的厚度依赖性研究

这篇研究揭示了通过外延应变在InSb(111)衬底上诱导α-Sn形成拓扑狄拉克半金属（TDS）相，并系统探究了薄膜厚度对量子限域效应的影响。通过电输运和回旋共振（CR）分析，发现载流子有效质量随厚度减小而显著增加，为下一代量子器件（如高迁移率拓扑电子学元件）的设计提供了关键理论支撑。

　　

Progress and potential
α-锡（α-Sn）作为锡的金刚石结构同素异形体，因拓扑物质研究的新发现而重获关注。通过InSb(111)衬底上的外延应变诱导拓扑狄拉克半金属（TDS）相，研究者系统探索了量子限域对其电子结构的影响。电输运特性和回旋共振分析揭示了厚度依赖的输运机制改变和有效质量变化，为理解量子限域与拓扑性质的复杂相互作用提供了新视角。这些发现不仅深化了对α-Sn非平庸电子特性的认知，更为其集成至下一代电子和量子器件奠定了坚实基础。

Highlights
• α-Sn的拓扑性质可通过面内应变调控
• InSb(111)上外延生长诱导α-Sn形成TDS相
• 研究了InSb(111)上α-Sn薄膜的量子限域效应
• 观察到厚度依赖的电输运和有效质量变化

Summary
α-Sn是一种具有丰富拓扑特性的元素半金属，但其非平庸电子结构的细节仍不甚明晰。本研究通过InSb衬底(111)面的外延生长施加压应变，使α-Sn进入明确的TDS量子相。通过改变α-Sn外延层厚度，研究者分离出量子限域效应的作用。电学测试表明输运机制随厚度变化，回旋共振测量则直接揭示了量子限域对拓扑狄拉克费米子有效质量的调控作用。这些成果为开发超越现有技术水平的锡基器件提供了关键依据。

Introduction
尽管α-Sn曾被广泛研究，但拓扑物质和锡基石墨烯类似物（stanene）的发现使其重获关注。作为大原子序数元素，α-Sn的自旋轨道耦合效应显著，导致轻空穴带（LH）与s型导带能级反转。未应变块体α-Sn是立方对称性保护的零带隙半金属，但外部扰动可诱导非平庸拓扑特性。外延生长在失配衬底上是调控其物理性质的常规策略——压应变使α-Sn成为TDS，而张应变则产生三维拓扑绝缘体（TI）。InSb(111)衬底上约-0.14%的面内压应变导致Γ点出现10-20 meV负带隙，使费米面分裂为双锥形狄拉克点。

Results and discussion
分子束外延（MBE）生长的α-Sn薄膜通过X射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱表征确认质量。电输运测试显示，所有厚度样品（5-20 nm）的电阻-温度曲线均在150 K附近呈现钟形峰，这与InSb衬底的单调行为截然不同。理论分析表明，该现象源于Γ谷与L谷载流子随温度变化的竞争：高温区间谷散射主导，低温下高迁移率Γ谷载流子逐步控制输运。厚度减小时，Γ-L激活能显著增加（5 nm样品达48 meV），强烈暗示量子限域效应。

回旋共振测量进一步量化了量子限域的影响。在10-50 nm厚度范围内，狄拉克费米子有效质量随薄膜减薄而增大（50 nm时为0.028m₀，10 nm时增至0.043m₀），这与Kane模型预测的量子限制能隙一致。这种"轻质化"趋势与其他典型TDS（如Cd₃As₂）的限域效应相符，但α-Sn更低的