FeSi屬于關(guān)聯(lián)d電子窄能帶半導(dǎo)體，具有低對稱性手性立方晶體結(jié)構(gòu)（B20體系）和優(yōu)異的熱電性能。FeSi的物理性質(zhì)具有不尋常的溫度依賴關(guān)系，與f電子近藤絕緣體極為相似。雖然能帶計算表明FeSi的費(fèi)米能級位于體相能隙當(dāng)中，早期多個實驗組對于該體系電輸運(yùn)測量卻發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)eSi的電阻在低溫區(qū)間偏離熱激活行為并出現(xiàn)飽和，顯示出存在金屬態(tài)的跡象，一般被認(rèn)為與帶隙中的雜質(zhì)或缺陷能級相關(guān)。2018年美國加利福尼亞大學(xué)圣迪哥分校研究人員通過對高品質(zhì)針狀FeSi單晶的輸運(yùn)測量，在19K左右觀察到明顯的半導(dǎo)體-金屬轉(zhuǎn)變，并發(fā)現(xiàn)增加表面積-體積比可以提高轉(zhuǎn)變溫度，從而揭示了FeSi在低溫下可能存在金屬性表面態(tài)。
近日，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心表面物理實驗室特聘研究員章一奇與德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)及巴黎高等師范學(xué)院研究人員合作，給出了FeSi(110)單晶表面存在低溫金屬態(tài)的有力實驗證據(jù)。
研究人員利用類超高真空浮區(qū)法生長了高純度FeSi系列單晶，通過對磁場下變溫電輸運(yùn)測量數(shù)據(jù)分析，他們發(fā)現(xiàn)在25K以下FeSi(110)單晶存在一個電子型、高遷移率的表面導(dǎo)電通道，其載流子濃度和遷移率不隨溫度和微量磁性摻雜改變。研究人員在超高真空環(huán)境制備出原子級平整非重構(gòu)FeSi(110)單晶表面（圖1）。通過掃描隧道顯微鏡在原子尺度的結(jié)構(gòu)表征并結(jié)合密度泛函理論計算，確定了FeSi(110)具有包含鐵-硅原子對的特定截止面（圖2）。
利用掃描隧道譜對無缺陷FeSi(110)表面在不同溫區(qū)的電子結(jié)構(gòu)研究表明，低溫下該體系在費(fèi)米能級附近形成寬度約為70meV的非對稱能隙結(jié)構(gòu)。值得注意的是，即使在最低測量溫度1K下，仍可觀測到FeSi體相能隙中的剩余態(tài)密度，在緊鄰費(fèi)米能級上下分別存在一個明顯的電子態(tài)（圖3）。研究人員利用密度泛函理論對具有特定截止面的FeSi(110)塊體進(jìn)行了能帶計算，發(fā)現(xiàn)表面對稱破缺會誘導(dǎo)產(chǎn)生穿越體相能隙的自旋極化能帶。理論計算的表面能隙結(jié)構(gòu)很好地再現(xiàn)非對稱性和非零電子態(tài)密度這兩個特征（圖4）。然而，F(xiàn)eSi在低溫下的表面金屬態(tài)是否具有拓?fù)湫再|(zhì)，以及是否與新型手性費(fèi)米子相關(guān)需要進(jìn)一步的實驗和理論研究。
相關(guān)成果以Atomistic investigation of surface characteristics and electronic features at high-purity FeSi(110) presenting interfacial metallicity為題發(fā)表在PNAS上。
