磁近邻耦合的拓扑绝缘体薄膜生长及其输运性质研究

发布时间：2020-09-08 14:17

　　自从拓扑绝缘体被发现以来,对其中各种新奇物理现象的研究就从未停止。向拓扑绝缘体中引入磁性,可以打破拓扑绝缘体表面态的时间反演对称性,在狄拉克点附近诱导出一个能隙,从而实现理论上预言的拓扑磁电效应等许多新奇现象。通过磁近邻效应与铁磁性绝缘体进行交换耦合,是使拓扑绝缘体获得磁有序的一种有效方法。与掺杂磁性杂质原子的方法相比,通过磁近邻效应方法引入磁性可以避免带来随机的杂质和缺陷,保持拓扑绝缘体本征的晶体结构和输运性质,同时有可能获得更高的磁有序温度。然而,由于自然界中铁磁性绝缘体材料的种类非常稀少,目前拓扑绝缘体中磁近邻效应的研究仅限于少数几种材料体系。因此,寻找合适的铁磁性绝缘体材料,并与拓扑绝缘体结合形成高质量的异质结构,是进行二者近邻耦合研究的关键和难点。本论文中,我们首次研究了拓扑绝缘体Bi_2Se_3薄膜在铁磁性绝缘体LaCoO_3/SrTiO_3衬底上的生长与磁电输运性质。外延生长在SrTiO_3衬底上的LaCoO_3薄膜是一种本征的铁磁性绝缘体,同时具有高的晶体对称性与较高的居里温度(T_C~85 K)。通过系统地研究Bi_2Se_3薄膜在LaCoO_3/SrTiO_3上的生长条件,我们得到了表面形貌规则有序的Bi_2Se_3单晶薄膜,构筑了高质量的Bi_2Se_3薄膜/LaCoO_3/SrTiO_3异质结构,并通过电输运和磁性测量证明Bi_2Se_3薄膜中出现了铁磁相,同时测得在100 K温度时还存在反常霍尔效应的信号,这为实现高温的自旋电子学器件应用带来了希望。本论文的主要研究结果包括如下几个方面:(1)首次研究和报道了拓扑绝缘体Bi_2Se_3薄膜在铁磁性绝缘体LaCoO_3/SrTiO_3衬底上的成功生长。利用分子束外延的方法,我们系统地探究了Bi_2Se_3薄膜在LaCoO_3/SrTiO_3上的生长条件,总结出Bi_2Se_3薄膜在LaCoO_3/SrTiO_3(001)衬底上生长的最佳衬底温度为150±5℃,并在此温度下得到了大面积形貌规则有序、分布均匀、整体平整度很好的Bi_2Se_3薄膜。同时我们发现,相对于其他常用的衬底而言,Bi_2Se_3薄膜在LaCoO_3/SrTiO_3衬底上的生长形貌对衬底温度具有反常的依赖规律,并解释了这种反常的依赖关系很可能与衬底中LaCoO_3薄膜的较大热膨胀系数及其在450 K可能存在的结构相变有关。(2)首次研究并报道了Bi_2Se_3/LaCoO_3异质结构的电输运性质和磁化性质。通过测量该薄膜体系在磁场下的输运性质,我们得到在最优化的生长条件下样品的迁移率为659 cm~2V~(-1)s~(-1),能达到与在未掺杂的非磁性衬底上生长的Bi_2Se_3薄膜同等甚至更高的输运性能。通过与SrTiO_3衬底上生长的Bi_2Se_3薄膜相比较,我们发现Bi_2Se_3/LaCoO_3样品中磁阻的弱反局域效应明显地受到抑制,这与界面上的磁相互作用有关。磁化测量证明样品中存在额外被诱导出的磁矩,说明拓扑绝缘体中被诱导出了铁磁相,这也是磁近邻效应作用的结果。反常霍尔电阻的出现进一步证明了拓扑绝缘体与磁性衬底的相互耦合。更让人惊奇的是,我们发现在高于LaCoO_3薄膜居里温度的100 K时反常霍尔效应的信号仍然存在,并且磁化测量也印证了在100 K时体系中确实还存在铁磁性。这意味着通过磁近邻相互作用,我们能使体系的磁有序温度得到提高,并推测这与拓扑绝缘体很大的自旋轨道耦合及受拓扑保护的鲁棒性质有关。(3)将对Bi_2Se_3薄膜的研究成果推广到了三元的(Bi_(1-x)Sb_x)_2Te_3薄膜。拓扑绝缘体(Bi_(1-x)Sb_x)_2Te_3(0x1)具有更好的体态绝缘性,对于输运性质的观测更加有利。我们通过改进生长方法,用MBE在SrTiO_3(111)衬底上外延生长出了具有大台阶面积、无任何杂相的高质量的(Bi_(1-x)Sb_x)_2Te_3(x=0.5)薄膜。通过输运测量中门电压的调控使费米能级处于接近于狄拉克点的位置,并得到了来自表面态的迁移率高达1700 cm~2V~(-1)s~(-1)以上的载流子信息。接着,我们又研究了(Bi_(1-x)Sb_x)_2Te_3薄膜在LaCoO_3/SrTiO_3(001)磁性衬底上的生长和输运性质,通过探究和改进其生长条件得到了较高质量的薄膜样品。在输运测试中观察到拓扑绝缘体(Bi_(1-x)Sb_x)_2Te_3薄膜的弱反局域效应受到了更为明显的削弱作用,并且得到了比Bi_2Se_3薄膜体系中更大的反常霍尔电阻。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O484
【部分图文】：

绝缘体,拓扑

磁近邻耦合的拓扑绝缘体薄膜生长及其输运性质研究面态（或边缘态）。具体来说，拓扑绝缘体是一种具有特殊的拓扑非平庸构的材料，在拓扑学分类上具有非零的拓扑数。它的能带结构由普通的具的导带、价带，以及连接着导带和价带的、穿过费米面的具有线性色散关拉克表面态所共同构成。拓扑绝缘体与普通绝缘体的能带结构区别可由图 1.1 (a)、(b) 来反映。

能带结构,家族,绝缘体,拓扑

第 1 章绪论界为二维的“表面态”，且表面态在倒空间中形成二维的自旋极化的狄拉克锥。本论文中接下来主要讨论的都是三维的强拓扑绝缘体。1.2.1 拓扑绝缘体的发现拓扑绝缘体以其独特的能带结构与新奇的物理性质，自问世以来就吸引了大批研究者的注意。2006-2007 年间，量子化的自旋霍尔效应首次在 CdTe/HgTe/CdTe 二维量子阱中被观测到 [5]，预示着拓扑绝缘体时代的开启。2008 年，Bi1-xSbx合金首先被证实为三维拓扑绝缘体 [6]，但是由于其能隙较小、表面能带复杂且对成分比例要求严格而未被广泛研究。2009 年，以 Bi2Se3材料为代表的二元三维拓扑绝缘体由理论提出[7] 并得到了实验证实，使得 Bi2Se3家族材料成为了最典型的受到广泛关注与研究的拓扑绝缘体。

表面态,绝缘体,拓扑

下热扰动的能量尺度。在这样宽能隙的拓扑绝缘体中，人们可以更容易地将费米能级调制到体能隙中，进而更直接地研究拓扑表面态的物理性质。此后不久，Hasan 小组 [8] 和沈志勋小组 [9] 分别使用角分辨光电子能谱（ARPES）从实验上观察到 Bi2Se3和 Bi2Te3中的 Dirac 色散表面态，这一发现不但证实了张首晟等人的理论工作，而且为随后而来的拓扑绝缘体输运性质的研究铺平了道路。1.2.2 拓扑绝缘体的性质拓扑绝缘体最重要的特性就是它具有一个螺旋自旋的金属性的表面态[10]，这个表面态受到时间反演对称性的保护，不受非磁性杂质散射的影响。由于拓扑绝缘体中存在来源于狄拉克费米子的线性色散关系，表面态上的电子自旋和电子动量会形成相互锁定。这使得拓扑绝缘体表面态上的电子运动可以不受背散射的影响[11]。

【相似文献】