拓扑绝缘体在栅极电场和脉冲磁场中的输运性质

发布时间：2017-04-28 01:04

  本文关键词：拓扑绝缘体在栅极电场和脉冲磁场中的输运性质，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：拓扑绝缘体是近年来发现的一类新型量子材料,具有拓扑非平庸的绝缘性体能带结构和受时间反演对称性保护的金属性表面态。本论文研究三维拓扑绝缘体薄膜和单晶在栅极电场和脉冲磁场中的输运性质。无论是拓扑绝缘体薄膜还是单晶,破坏其时间反演对称性都可能产生新奇的拓扑量子效应。通过磁性掺杂在拓扑绝缘体中建立长程铁磁序是破坏时间反演对称性的方法之一,具有长程铁磁序的拓扑绝缘体可视为两个具有不同手性特征的狄拉克费米子中间夹着的一层铁磁层,这类材料的输运性质非常有趣。我们首先研究的是处于拓扑相变临界点附近的磁性拓扑绝缘体薄膜。通过原位的栅极电场,拓扑绝缘体可以从铁磁态转变为顺磁态,这一量子相变的发生同时伴随反常霍尔效应符号的改变。而对处于拓扑非平庸相的磁性拓扑绝缘体而言,无论是空穴型还是电子型,体系的铁磁性都会随载流子浓度的增加而增强。磁性拓扑绝缘体的磁阻行为在栅极电场下会产生一系列变化,具体表现为:当费米能级靠近狄拉克点,电阻随磁场的增强而变大,表现为正的磁阻行为;当费米能级远离狄拉克点,电阻随磁场的增强反而变小,表现为负的磁阻行为。这与传统的局域化行为相反。而进一步研究发现,拓扑表面态的弱反局域化行为与体态铁磁性引起的负磁阻的竞争,是产生上述多样化磁阻行为的物理机制。磁场是另一种破坏时间反演对称性的方法。量子振荡是研究材料费米面及塞曼效应的实验技术,利用该技术我们研究了Bi2Te3-xSx拓扑绝缘体单晶在92特斯拉脉冲磁场中的输运性质。通过对比脉冲磁场中纵向电阻的Shubnikov-de Haas振荡行为与磁化率的de Hass-van Alphen振荡行为,可以清楚区分拓扑表面态与体态的量子振荡。当体态到达量子临界后,拓扑表面态的塞曼效应得以证明。在栅极电场和脉冲磁场的共同作用下,Sb2Te3薄膜的磁阻行为可以分为四种。因体载流子的贡献,低磁场下的弱反局域化行为将演变成抛物线形行为。抛物线形的磁阻行为随着磁场的升高逐步变成线性。当体态载流子被电场和磁场压制后,拓扑表面态在强磁场中进入量子霍尔态,导致负磁阻行为的出现。上述实验结果揭示了拓扑绝缘体在栅极电场与脉冲磁场中的本征输运性质,这为拓扑绝缘体在微电子器件和自旋电子学领域的应用提供了重要依据。
【关键词】：拓扑绝缘体 铁磁性 磁阻 量子振荡 塞曼效应
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O469
【目录】：

• 摘要3-4
• abstract4-10
• Chapter 1 Introduction10-29
• 1.1 Overview of topological insulators10-15
• 1.2 Magnetically doped topological insulators15-20
• 1.3 Interplay between topology and magnetism20-23
• 1.4 Quantum oscillation measurements in topological insulators23-28
• 1.5 Organization of this thesis28-29
• Chapter 2 Experimental setup and methods29-45
• 2.1 General considerations in transport measurements29-32
• 2.2 Setup of transport measurements in the superconducting magnet32-37
• 2.2.1 Cryogenics in the superconducting magnet32-35
• 2.2.2 Probe design for transport measurements35-36
• 2.2.3 Data acquisition36-37
• 2.3 Setup of transport measurements in the pulsed magnet37-43
• 2.3.1 Cryogenics in the pulsed magnet37-40
• 2.3.2 Probe design in the pulsed magnet40-42
• 2.3.3 High speed data acquisition42-43
• 2.4 Sample growth and ARPES measurements43-45
• Chapter 3 Electrical control of magnetization45-61
• 3.1 Tuning magnetism near the topological phase transition45-51
• 3.2 Tuning magnetism in the electron-doped regime51-55
• 3.3 Tuning magnetism in the hole-doped regime55-60
• 3.4 Summary60-61
• Chapter 4 Electrically tuned magnetoresistance in Cr_(0.15)(Bi_(0.1)Sb_(0.9))_(1.85)Te_361-78
• 4.1 Device fabrication61-62
• 4.2 Long range ferromagnetic order in the sample62-64
• 4.3 Evolution of ferromagnetism with gate electric field64-67
• 4.4 Evolution of magnetoresistance with gate electric field67-68
• 4.5 Correlation between magnetoresistance and ferromagnetism68-72
• 4.6 Revealing the origin of the perplexing magnetoresistance72-76
• 4.7 Summary76-78
• Chapter 5 Zeeman effect of Bi2Te3-x Sx in ultrahigh pulsed magnetic field78-95
• 5.1 Breaking time reversal symmetry by magnetic field78-79
• 5.2 Quantum oscillations as a function of carrier density79-85
• 5.3 Quantum oscillations in the 100 T pulsed magnet85-87
• 5.4 Zeeman shift of the zeroth Landau Level87-90
• 5.5 Angle dependence of quantum oscillations90-94
• 5.6 Summary94-95
• Chapter 6 Ambipolar transport in pulsed magnetic field95-109
• 6.1 Transport properties of Sb2Te3/Bi2Te3 heterostructures95-100
• 6.2 Transport properties of Sb2Te3 thin film in the pulsed magnet100-106
• 6.3 Linear magnetoresistance in Sb2Te3 thin film106-107
• 6.4 Phase diagram of magnetoresistance in Sb2Te3 thin film107-108
• 6.5 Summary108-109
• Chapter 7 Conclusion109-111
• Reference111-125
• Acknowledgement125-128
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果128-129

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