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文檔簡介
1、拓撲絕緣體(TI)作為非傳統(tǒng)意義的絕緣體,其特點是材料的內部有能隙,而表面態(tài)卻無能隙無散耗。由于強自旋耦合作用,這種奇特的表面態(tài)受時間反演對稱保護,因此能抵抗體系中晶體的缺陷、非磁性雜質等外界環(huán)境的影響。理論上預言拓撲絕緣體和其他體系相(磁性材料或超導材料)結合的復合體系的界面還可能發(fā)現(xiàn)新的物質相和新奇的物理性質,如量子反?;魻栃ajorana費米子和磁單極子。利用這些物理特性,人們可以構造新型量子器件,并最終應用到自旋電子學和量
2、子計算機等領域。
本論文選取典型的3D TI Bi2Se3作為研究對象。TI在低溫強磁場下的作用下出現(xiàn)拓撲量子態(tài),由此能觀察到量子霍爾效應,然而這還不算是真正的拓撲絕緣體??茖W家們期望有真正的TI,它們不依賴外加的強磁場也能夠觀察到量子霍爾效應,即反常量子霍爾效應,這是利用樣品本身所具有的的鐵磁性導致霍爾平臺。而想要得到這種效應可以通過材料設計在TI中引入鐵磁性。實現(xiàn)的手段是在TI中進行過渡族摻雜從而引入鐵磁性,而理論計算出非
3、磁性的2p輕元素X(X=B,C和N)摻雜TI,可以誘導出鐵磁性,調控拓撲性質。故本論文對Bi2Se3進行了磁性元素Co、Ni和非磁性元素C的摻雜研究。另一個手段是把TI和鐵磁材料結合在一起,利用異質結的鄰近效應誘導出鐵磁性。本論文選擇在鈣鈦礦錳氧化物(La0.7Sr0.3MnO3簡稱LSMO)薄膜上沉積Bi2Se3薄膜,形成異質結構。探索鐵磁性的強關聯(lián)體系對Bi2Se3磁性、電輸運性能和表面態(tài)調控方面的影響。全文的內容為以下幾部分:
4、r> 對Bi2Se3單晶體進行磁性元素的摻雜,摻雜元素有Co和Ni。Bi2Se3本身樣是抗磁性的,而Co摻雜后的樣品磁化率溫度曲線為順磁(PM)行為,12K低溫下的磁化率磁場曲線存在明顯磁滯現(xiàn)象,證實鐵磁相的存在。樣品的飽和磁化率、矯頑力和剩余磁化率,隨著Co濃度的增加而逐漸增大,說明Co濃度與鐵磁性密切相關。FM的來源有兩個可能的解釋。第一,生成了很少量的鐵磁體Co-Se化合物。第二,磁性雜質之間的RKKY作用。樣品的電阻率的趨勢在
5、30K以上和30K兩個溫區(qū)不同,T>30 K的溫區(qū),主要是電子-聲子散射作用主要是電子-電子之間的散射作用。所有樣品都表現(xiàn)出正磁電阻行為。
Ni摻雜樣品NixBi2-xSe3同樣具有層狀結構。Ni摻雜對樣品磁性影響很大,x=0即Bi2Se3為抗磁材料,x=0.03樣品是典型的PM材料,x≥0.05的樣品中觀察到了復雜的鐵磁性,有多個磁轉變點,這可能與Ni-Se化合物有關。所有樣品都表現(xiàn)出弱金屬導電行為,樣品的電阻率隨Ni含量的
6、增加而增加。不同含量的樣品表現(xiàn)出不同的磁電阻行為,可能與樣品散射機制和磁有序有關。
C摻雜的Bi2Se3晶體的生長是沿c軸取向,結晶性良好且有良好的周期性。晶格參數(shù)先減小后增加。樣品仍然是n型半導體,說明C摻雜補償Se缺失是有限的。C摻雜樣品的電阻率變化趨勢基本相同,隨溫度降低而降低,30K附近出現(xiàn)金屬絕緣轉變,電磁阻也在該溫度點翻轉,說明C摻雜增強了Bi2Se3的表面態(tài)對整個電導的貢獻,使得電輸運中表面電導的作用凸顯出來。磁
7、性質在C摻雜之后出現(xiàn)了抗磁到鐵磁的變化。
探索真空蒸發(fā)鍍膜的方法制備Bi2Se3拓撲絕緣體薄膜的工藝條件。制備蒸鍍Bi2Se3薄膜的最佳后退火處理參數(shù)為退火溫度300℃,保溫時間5h。適當增加退火溫度Ta和保溫時間可以提高Bi2Se3薄膜的結晶性,而較高的溫度和較長的保溫時間又會造成Se缺失。300℃退火的薄膜的電阻率在30K以下有一個很小的上升,顯示出金屬-絕緣轉變,而轉變溫度點幾乎隨外加磁場增加而線性增加。300℃退火樣品
8、的磁電阻在高場下線性增加,這種現(xiàn)象被認為是一種量子線性霍爾效應;低場下由于拓撲絕緣體表面態(tài)中的自旋-動量鎖定和自旋軌道的相互作用出現(xiàn)了弱反局域效應。Si(111)單晶,LaAlO3單晶、石英和玻璃做基底蒸鍍Bi2Se3薄膜,都能成的Bi2Se3相。所有薄膜的Se/Bi相對原子的比Cr都比1.5小,雖然是在富Se環(huán)境下后退火處理,但過量的Se分子并沒有進入薄膜內部。
探索了磁控濺射方法制備Bi2Se3拓撲絕緣體薄膜的工藝條件。濺
9、射沉積的Bi2Se3薄膜的進行后退火處理的最佳參數(shù)為:退火溫度300℃,保溫時間2h。未退火的Bi2Se3薄膜為非晶薄膜,隨著Ta的增加,晶粒逐漸從圓形晶粒長成三角形和六邊形結構。Ta對樣品的電阻率也有影響,對于未退火的薄膜,電阻率隨測量溫度降低而增加(dρ/dT<0)。當Ta≥200℃時,表現(xiàn)出金屬行為(dp/dT>0)。Si(100)基底上濺射的不同厚度的Bi2Se3薄膜都具有很好的c軸取向。300nm薄膜樣品表現(xiàn)出弱金屬性,在零場
10、下,電阻率隨著測試溫度的降低而呈現(xiàn)線性降低。然而其他厚度的樣品卻表現(xiàn)出了不同的特征,這是由于電導在高溫和低溫區(qū)域有不同的輸運機制。霍爾效應測試顯示載流子與厚度相關,隨著厚度增加而增加。MR曲線反應出高場線性磁阻和低場弱反局域效應。
采用蒸發(fā)和濺射的方法制備拓撲絕緣體/鈣鈦礦錳氧化物(Bi2Se3/LSMO)異質結。蒸發(fā)制備的異質結呈現(xiàn)出絕緣體特性,電阻率隨溫度降低而逐漸增加,在30K附近飽和,這個溫度與Bi2Se3體電導自由電
11、子的凍結溫度一致,說明在LSMO薄膜與Bi2Se3之間存在著某些相互作用。扣除LSMO的鐵磁信號,還存在明顯的磁滯現(xiàn)象,由于Bi2Se3本身是抗磁性的,說明LSMO在Bi2Se3薄膜中誘導出了鐵磁性。在通過磁控濺射得到的Bi2Se3/LSMO異質結中,異質結的連續(xù)性很好,沒有裂縫和孔洞,有層狀結構和六方結構。不同厚度的薄膜電阻行為不同,但都能在薄膜中觀察到金屬-絕緣體相變,Bi2Se3層存在明顯的自旋極化電流注入效應。這可能是由于LSM
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