FeSi屬於關聯d電子窄能帶半導體，具有低對稱性手性立方晶體結構（B20體系）和優異的熱電效能。FeSi的物理性質具有不尋常的溫度依賴關係，與f電子近藤絕緣體極為相似。雖然能帶計算表明FeSi的費米能級位於體相能隙當中，早期多個實驗組對於該體系電輸運測量卻發現，FeSi的電阻在低溫區間偏離熱啟用行為並出現飽和，顯示出存在金屬態的跡象，一般被認為與帶隙中的雜質或缺陷能級相關。2018年加利福尼亞大學聖迪哥分校的Maple教授課題組透過對高品質針狀FeSi單晶的輸運測量，在19K左右觀察到明顯的半導體-金屬轉變（PNAS 115, 8558 (2018).），並發現增加表面積-體積比可以提高轉變溫度，從而揭示了FeSi在低溫下可能存在金屬性表面態。
最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面物理實驗室SF9組章一奇特聘研究員與慕尼黑工業大學物理系Christian Pfleiderer 教授課題組，Johannes Barth教授課題組以及巴黎高等師範學院的Ari Seitsonen研究員透過團隊合作，給出了FeSi(110)單晶表面存在低溫金屬態的有力實驗證據。
Pfleiderer教授課題組利用類超高真空浮區法生長了高純度FeSi系列單晶，透過對磁場下變溫電輸運測量資料分析，他們發現在25K以下FeSi(110)單晶存在一個電子型、高遷移率的表面導電通道，其載流子濃度和遷移率不隨溫度和微量磁性摻雜改變。在章一奇特聘研究員和Barth教授共同指導下，慕尼黑工業大學物理系博士後楊標和博士生Martin Uphoff首先在超高真空環境製備出原子級平整非重構FeSi(110)單晶表面（圖1）。透過掃描隧道顯微鏡在原子尺度的結構表徵並結合密度泛函理論計算，確定了FeSi(110)具有包含鐵-矽原子對的特定截止面（圖2）。
利用掃描隧道譜對無缺陷FeSi(110)表面在不同溫區的電子結構研究表明，低溫下該體系在費米能級附近形成寬度約為70meV的非對稱能隙結構。值得注意的是，即使在最低測量溫度1K下，仍可觀測到FeSi體相能隙中的剩餘態密度，在緊鄰費米能級上下分別存在一個明顯的電子態（圖3）。巴黎高師的Ari Seitsonen利用密度泛函理論對具有特定截止面的FeSi(110)塊體進行了能帶計算，發現表面對稱破缺會誘導產生穿越體相能隙的自旋極化能帶。理論計算的表面能隙結構很好地再現非對稱性和非零電子態密度這兩個特徵（圖4）。然而，FeSi在低溫下的表面金屬態是否具有拓撲性質，以及是否與新型手性費米子相關需要進一步的實驗和理論研究。
其相關結果以“Atomistic investigation of surface characteristics and electronic features at high-purity FeSi(110) presenting interfacial metallicity”為題目發表在PNAS118, e2021203118 (2021)。 章一奇特聘研究員和Barth教授為該論文的共同通訊作者。
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圖1. FeSi(110)單晶的表面結構。(a)FeSi的原胞結構。（b,c）FeSi(110)單晶樣品和低能電子衍射照片。（d,e）原子級平整非重構FeSi(110)表面的STM形貌圖。
圖2. FeSi(110)截止面分析。(a)FeSi(110)截止面的6種可能性。(b)FeSi(110)表面的實驗STM高分辨形貌圖以及理論模擬的M2截止面形貌圖。(c)由鐵-矽原子對組成的M2截止面示意圖。
圖3. 無缺陷FeSi(110)表面的掃描隧道譜。(a-f)1K下在FeSi(110)表面沿[1-10]方向的微分電導譜。在費米能級上下分別觀察到P1和P2兩個存在於體相能隙中的非零電子態。(g)能隙電子結構隨溫度的變化。
圖4. (a)具有FeSi(110)-M2截止面塊體的能帶結構。圖中灰色部分是體相能帶在(110)面上的投影，橙色區域為體相能隙，紅色和綠色曲線為自旋分辨能帶。(b)FeSi(110)表面的布里淵區。(c)塊體表面最外三個原子層（M2+S1+S2）與塊體內部相同三個原子層的PDOS比較。
編輯：just_iu
