自從拓?fù)浣^緣體被發(fā)現(xiàn)以來,對其中各種新奇物理現(xiàn)象的研究就從未停止。向拓?fù)浣^緣體中引入磁性,可以打破拓?fù)浣^緣體表面態(tài)的時間反演對稱性,在狄拉克點附近誘導(dǎo)出一個能隙,從而實現(xiàn)理論上預(yù)言的拓?fù)浯烹娦?yīng)等許多新奇現(xiàn)象。通過磁近鄰效應(yīng)與鐵磁性絕緣體進行交換耦合,是使拓?fù)浣^緣體獲得磁有序的一種有效方法。與摻雜磁性雜質(zhì)原子的方法相比,通過磁近鄰效應(yīng)方法引入磁性可以避免帶來隨機的雜質(zhì)和缺陷,保持拓?fù)浣^緣體本征的晶體結(jié)構(gòu)和輸運性質(zhì),同時有可能獲得更高的磁有序溫度。然而,由于自然界中鐵磁性絕緣體材料的種類非常稀少,目前拓?fù)浣^緣體中磁近鄰效應(yīng)的研究僅限于少數(shù)幾種材料體系。因此,尋找合適的鐵磁性絕緣體材料,并與拓?fù)浣^緣體結(jié)合形成高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)構(gòu),是進行二者近鄰耦合研究的關(guān)鍵和難點。本論文中,我們首次研究了拓?fù)浣^緣體Bi_2Se_3薄膜在鐵磁性絕緣體LaCoO_3/SrTiO_3襯底上的生長與磁電輸運性質(zhì)。外延生長在SrTiO_3襯底上的LaCoO_3薄膜是一種本征的鐵磁性絕緣體,同時具有高的晶體對稱性與較高的居里溫度(T_C~85 K)。通過系統(tǒng)地研究Bi_2Se_3薄膜在LaCoO_3/SrTiO_3上的生長條件,我們得到了表面形貌規(guī)則有序的Bi_2Se_3單晶薄膜,構(gòu)筑了高質(zhì)量的Bi_2Se_3薄膜/LaCoO_3/SrTiO_3異質(zhì)結(jié)構(gòu),并通過電輸運和磁性測量證明Bi_2Se_3薄膜中出現(xiàn)了鐵磁相,同時測得在100 K溫度時還存在反�；魻栃�(yīng)的信號,這為實現(xiàn)高溫的自旋電子學(xué)器件應(yīng)用帶來了希望。本論文的主要研究結(jié)果包括如下幾個方面:(1)首次研究和報道了拓?fù)浣^緣體Bi_2Se_3薄膜在鐵磁性絕緣體LaCoO_3/SrTiO_3襯底上的成功生長。利用分子束外延的方法,我們系統(tǒng)地探究了Bi_2Se_3薄膜在LaCoO_3/SrTiO_3上的生長條件,總結(jié)出Bi_2Se_3薄膜在LaCoO_3/SrTiO_3(001)襯底上生長的最佳襯底溫度為150±5℃,并在此溫度下得到了大面積形貌規(guī)則有序、分布均勻、整體平整度很好的Bi_2Se_3薄膜。同時我們發(fā)現(xiàn),相對于其他常用的襯底而言,Bi_2Se_3薄膜在LaCoO_3/SrTiO_3襯底上的生長形貌對襯底溫度具有反常的依賴規(guī)律,并解釋了這種反常的依賴關(guān)系很可能與襯底中LaCoO_3薄膜的較大熱膨脹系數(shù)及其在450 K可能存在的結(jié)構(gòu)相變有關(guān)。(2)首次研究并報道了Bi_2Se_3/LaCoO_3異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電輸運性質(zhì)和磁化性質(zhì)。通過測量該薄膜體系在磁場下的輸運性質(zhì),我們得到在最優(yōu)化的生長條件下樣品的遷移率為659 cm~2V~(-1)s~(-1),能達(dá)到與在未摻雜的非磁性襯底上生長的Bi_2Se_3薄膜同等甚至更高的輸運性能。通過與SrTiO_3襯底上生長的Bi_2Se_3薄膜相比較,我們發(fā)現(xiàn)Bi_2Se_3/LaCoO_3樣品中磁阻的弱反局域效應(yīng)明顯地受到抑制,這與界面上的磁相互作用有關(guān)。磁化測量證明樣品中存在額外被誘導(dǎo)出的磁矩,說明拓?fù)浣^緣體中被誘導(dǎo)出了鐵磁相,這也是磁近鄰效應(yīng)作用的結(jié)果。反�；魻栯娮璧某霈F(xiàn)進一步證明了拓?fù)浣^緣體與磁性襯底的相互耦合。更讓人驚奇的是,我們發(fā)現(xiàn)在高于LaCoO_3薄膜居里溫度的100 K時反�；魻栃�(yīng)的信號仍然存在,并且磁化測量也印證了在100 K時體系中確實還存在鐵磁性。這意味著通過磁近鄰相互作用,我們能使體系的磁有序溫度得到提高,并推測這與拓?fù)浣^緣體很大的自旋軌道耦合及受拓?fù)浔Ｗo的魯棒性質(zhì)有關(guān)。(3)將對Bi_2Se_3薄膜的研究成果推廣到了三元的(Bi_(1-x)Sb_x)_2Te_3薄膜。拓?fù)浣^緣體(Bi_(1-x)Sb_x)_2Te_3(0x1)具有更好的體態(tài)絕緣性,對于輸運性質(zhì)的觀測更加有利。我們通過改進生長方法,用MBE在SrTiO_3(111)襯底上外延生長出了具有大臺階面積、無任何雜相的高質(zhì)量的(Bi_(1-x)Sb_x)_2Te_3(x=0.5)薄膜。通過輸運測量中門電壓的調(diào)控使費米能級處于接近于狄拉克點的位置,并得到了來自表面態(tài)的遷移率高達(dá)1700 cm~2V~(-1)s~(-1)以上的載流子信息。接著,我們又研究了(Bi_(1-x)Sb_x)_2Te_3薄膜在LaCoO_3/SrTiO_3(001)磁性襯底上的生長和輸運性質(zhì),通過探究和改進其生長條件得到了較高質(zhì)量的薄膜樣品。在輸運測試中觀察到拓?fù)浣^緣體(Bi_(1-x)Sb_x)_2Te_3薄膜的弱反局域效應(yīng)受到了更為明顯的削弱作用,并且得到了比Bi_2Se_3薄膜體系中更大的反常霍爾電阻。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O484
【部分圖文】：

磁近鄰耦合的拓?fù)浣^緣體薄膜生長及其輸運性質(zhì)研究面態(tài)（或邊緣態(tài)）。具體來說，拓?fù)浣^緣體是一種具有特殊的拓?fù)浞瞧接箻?gòu)的材料，在拓?fù)鋵W(xué)分類上具有非零的拓?fù)鋽?shù)。它的能帶結(jié)構(gòu)由普通的具的導(dǎo)帶、價帶，以及連接著導(dǎo)帶和價帶的、穿過費米面的具有線性色散關(guān)拉克表面態(tài)所共同構(gòu)成。拓?fù)浣^緣體與普通絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)區(qū)別可由圖 1.1 (a)、(b) 來反映。

第 1 章 緒 論界為二維的“表面態(tài)”，且表面態(tài)在倒空間中形成二維的自旋極化的狄拉克錐。本論文中接下來主要討論的都是三維的強拓?fù)浣^緣體。1.2.1 拓?fù)浣^緣體的發(fā)現(xiàn)拓?fù)浣^緣體以其獨特的能帶結(jié)構(gòu)與新奇的物理性質(zhì)，自問世以來就吸引了大批研究者的注意。2006-2007 年間，量子化的自旋霍爾效應(yīng)首次在 CdTe/HgTe/CdTe 二維量子阱中被觀測到 [5]，預(yù)示著拓?fù)浣^緣體時代的開啟。2008 年，Bi1-xSbx合金首先被證實為三維拓?fù)浣^緣體 [6]，但是由于其能隙較小、表面能帶復(fù)雜且對成分比例要求嚴(yán)格而未被廣泛研究。2009 年，以 Bi2Se3材料為代表的二元三維拓?fù)浣^緣體由理論提出[7] 并得到了實驗證實，使得 Bi2Se3家族材料成為了最典型的受到廣泛關(guān)注與研究的拓?fù)浣^緣體。

下熱擾動的能量尺度。在這樣寬能隙的拓?fù)浣^緣體中，人們可以更容易地將費米能級調(diào)制到體能隙中，進而更直接地研究拓?fù)浔砻鎽B(tài)的物理性質(zhì)。此后不久，Hasan 小組 [8] 和沈志勛小組 [9] 分別使用角分辨光電子能譜（ARPES）從實驗上觀察到 Bi2Se3和 Bi2Te3中的 Dirac 色散表面態(tài)，這一發(fā)現(xiàn)不但證實了張首晟等人的理論工作，而且為隨后而來的拓?fù)浣^緣體輸運性質(zhì)的研究鋪平了道路。1.2.2 拓?fù)浣^緣體的性質(zhì)拓?fù)浣^緣體最重要的特性就是它具有一個螺旋自旋的金屬性的表面態(tài)[10]，這個表面態(tài)受到時間反演對稱性的保護，不受非磁性雜質(zhì)散射的影響。由于拓?fù)浣^緣體中存在來源于狄拉克費米子的線性色散關(guān)系，表面態(tài)上的電子自旋和電子動量會形成相互鎖定。這使得拓?fù)浣^緣體表面態(tài)上的電子運動可以不受背散射的影響[11]。

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7 李永靜;李文W

本文編號：2814278