? 南京大學在磁性拓撲材料Mn(SbxBi1-x)2Te4體系研究實現突破 甘肃快3走势图200期|甘肃快3 200期走势图
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南京大學在磁性拓撲材料Mn(SbxBi1-x)2Te4體系研究實現突破
 發布時間:2019-11-25  大?。骸?A class="fontzoom" href="javascript:doZoom(20)">大


1982Thouless等人通過拓撲不變量成功解釋了整數量子霍爾效應以來,量子自旋霍爾效應,量子反?;魻栃刃缕娴耐負淞孔有嗬^被預言和實現。三維拓撲絕緣體Bi2Se3家族被發現之后,拓撲材料的物性研究得到進一步發展。目前,拓撲絕緣體與磁性的結合是熱點研究課題,理論表明在磁性拓撲絕緣體中可以實現眾多奇異的拓撲量子現象,如無需施加外磁場,就可以實現具有一維無耗散邊緣導電通道的量子反?;魻栃?/span>quantum anomalous Hall effect, QAHE)。因此該體系不僅為凝聚態物理基礎研究提供了重要方向,也為實現高速低能耗電子器件的應用提供了優異的材料平臺。在實驗上,量子反?;魻栃?/span>2013年在磁性摻雜(Bi,Sb)2Te3材料中首次被實驗發現,隨后世界上多個課題組相繼在不同的磁性摻雜拓撲絕緣體體系中發現了該效應。但是,由于這些體系的磁性是通過外部摻雜引入的,晶體質量會受到外來摻雜元素的極大影響,且摻雜分布的不均勻性和有限的摻雜量導致該該類體系中量子化輸運現象的觀測溫度都很低(< 2 K),苛刻的極低溫測量環境是目前人們遇到的主要瓶頸,極大地限制了可能的應用前景。


近期,理論物理學家指出了一種新的磁性拓撲絕緣體材料MnBi2Te4,給拓撲絕緣體應用研究帶來了新的突破方向。該材料的一大優勢就是相比摻雜磁性拓撲絕緣體具有更大的磁交換能隙,理論上可以實現更高溫的QAHE,最近有部分實驗也表明量子化電導可以在較高溫度下存在。不同于以往的材料依靠磁性元素摻雜引入磁性,MnBi2Te4的磁性來源于材料自身結構內部的Mn原子,這是一種具有本征磁性的拓撲絕緣體材料,無需引入額外的摻雜。理論計算表明其磁交換能隙可以達到約80 meV,遠大于以往的磁性拓撲絕緣體體系,有望實現更高溫度的拓撲量子效應的觀測。但是初期的實驗研究發現無論是單晶塊體樣品還是MBE薄膜樣品,MnBi2Te4總是具有很嚴重的n型自摻雜效應,使其費米能級位于體相導帶,離狄拉克點很遠,大量的體相平庸載流子使得輸運測量中無法獲得純凈的拓撲表面態/邊態輸運信號,應用的前景依然黯淡。


近日,南京大學物理學院宋鳳麒課題組與合作者利用國家同步輻射實驗室的角分辨光電子能譜(ARPES)在本征磁性拓撲絕緣體材料優化方面取得重要進展。該工作以“Intrinsic magnetic topological insulator phases in the Sb doped MnBi2Te4 bulk and thin flakes”為題,于今年102日在《自然通訊》(Nature Communications)雜志上在線發表(Nature Communications 10, 4469 (2019))。

本文主要作者

宋鳳麒研究組樣品制備及前期工作


在該工作中,研究者通過助熔劑法成功獲得了大尺寸MnBi2Te4單晶樣品,并利用Sb元素對該樣品中Bi元素進行了替位摻雜,制備了一系列不同組分的Mn(SbxBi1-x)2Te4材料家族?;谶@些單晶樣品,研究者利用同步輻射ARPES對該系列材料的能帶結構進行了系統的表征工作。


宋鳳麒課題組在NSRL-ARPES工作


首先研究者在7.25 eV的入射光光子能量下對純MnBi2Te4樣品能帶進行了表征,從中成功區分了MnBi2Te4能帶結構中具有拋物線色散關系的體態與具有線性色散關系的拓撲表面態,并證實在純MnBi2Te4樣品中,強烈的自摻雜效應導致狄拉克點遠離費米面,約位于費米面以下260 meV處。

緊接著,對Sb摻雜的Mn(SbxBi1-x)2Te4樣品進行ARPES表征發現隨著Sb濃度x的提升,材料的費米面逐漸從導帶向價帶移動。如圖a所示,對于x = 0的樣品,費米面位于導帶;而對于x = 0.4的樣品,費米面位于價帶;而對于中間組分x = 0.3,費米面剛好位于體能隙附近。從上述的ARPES表征中,可以看出隨著Sb濃度的改變,Mn(SbxBi1-x)2Te4樣品在x = 0.3附近出現了載流子n-p轉變。

a. Sb摻雜變化(x)對材料費米面影響


研究團隊進行進一步的電輸運測量發現該體系的霍爾系數(曲線斜率)隨著摻雜濃度的升高在x = 0.3時發生從負到正的變號(如圖b所示),同樣證實了該體系中隨Sb濃度變化的載流子n-p轉變。同時對霍爾電阻率的進一步分析,研究者發現對于x = 0.3的樣品,其載流子濃度為1.85×1018 cm-3,相比純MnBi2Te4樣品(7.05×1019 cm-3)降低了近40倍。說明通過Sb摻雜,有效地抑制了該體系中體相載流子的濃度,為器件研究提供了很好的平臺。同時,研究者還通過磁性測量發現該體系隨著Sb濃度升高其反鐵磁相變溫度沒有明顯變化,自發磁有序仍然得到保持。研究者還通過第一性原理計算發現該體系隨Sb濃度的提高,在x = 0.55處會發生拓撲相變,但對于上述實驗研究的摻雜范圍(x = 0  0.5)其拓撲非平庸的性質仍然得到保留。


b. Sb摻雜變化(x)對材料霍爾電阻率(左)及載流子濃度的影響(右)



研究人員最終將實驗數據總結得出相圖(圖c),在Mn(SbxBi1-x)2Te4體系中,可以通過材料優化找到一個區間,使得拓撲非平庸、自發磁有序、體相載流子抑制這三個條件同時得到滿足,為實現更高溫的量子反?;魻栃推渌缕娴耐負淞孔訕悠诽峁┝酥匾钠脚_。目前MnBi2Te4體系已經得到國內外多個課題組的廣泛關注,進一步的實驗和理論正在逐步開展。

c. Sb摻雜變化(x)對材料各屬性的影響及相位區間圖



該工作得到了國家同步輻射實驗室孫喆教授課題組、中科院上海微系統與信息技術研究所沈大偉教授課題組、南京大學張海軍教授課題組等多個科研團隊的實驗條件和理論計算支持。同時該工作得到了國家重點研發計劃量子調控重點專項(2017YFA0303203, 2018YFA0306800),國家自然科學基金(91622115, 11522432, 11574217, 11674165, 11227902, 11774154, 61822403, 11874203, 11904165, 11904166, U1732273U1732159),江蘇省自然科學基金(BK20160659,BK20190286),中央高?;究蒲袑m椯Y金資助等基金的支持。

 

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