本文關鍵詞：拓撲絕緣體Bi_2Se_3引入磁序的研究

  更多相關文章： 拓撲絕緣體 鐵磁性 磁電阻 真空蒸鍍 磁控濺射 金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變

【摘要】：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(nèi)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(zhì)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(jié)合的復合體系的界面還可能發(fā)現(xiàn)新的物質(zhì)相和新奇的物理性質(zhì),如量子反常霍爾效應、Majorana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(diào)控拓撲性質(zhì)。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(jié)合在一起,利用異質(zhì)結(jié)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(zhì)結(jié)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(diào)控方面的影響。全文的內(nèi)容為以下幾部分：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(zhì)之間的RKKY作用。樣品的電阻率的趨勢在30K以上和30K兩個溫區(qū)不同,T30K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(jié)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(zhuǎn)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(jié)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(zhuǎn)變,電磁阻也在該溫度點翻轉(zhuǎn),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。磁性質(zhì)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(jié)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(zhuǎn)變,而轉(zhuǎn)變溫度點幾乎隨外加磁場增加而線性增加。300℃退火樣品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,LaAl03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C,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(nèi)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(jié)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)/dT0)。當Ta≥200≥時,表現(xiàn)出金屬行為(dρ/dT0)。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(zhì)結(jié)。蒸發(fā)制備的異質(zhì)結(jié)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體電導自由電子的凍結(jié)溫度一致,說明在LSMO薄膜與Bi2Se3之間存在著某些相互作用�？鄢齃SMO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(zhì)結(jié)中,異質(zhì)結(jié)的連續(xù)性很好,沒有裂縫和孔洞,有層狀結(jié)構和六方結(jié)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LSMO中長程載流子進入到Bi2Se3當中,不同類型的載流子之間的強耦合及競爭作用造成的。磁性測試證實薄膜中存在鐵磁性,說明Bi2Se3薄膜中可能由于基底的磁近鄰效應作用而引入了鐵磁序。
【關鍵詞】：拓撲絕緣體 鐵磁性 磁電阻 真空蒸鍍 磁控濺射 金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變
【學位授予單位】：西南交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O469
【目錄】：

• 摘要6-9
• Abstract9-16
• 第一章 緒論16-46
• 1.1 拓撲絕緣體介紹16-26
• 1.1.1 絕緣態(tài)17-18
• 1.1.2 量子霍爾態(tài)18-24
• 1.1.3 Z_2拓撲不變量和拓撲絕緣體24-26
• 1.2 三維(3D)拓撲絕緣體26-27
• 1.2.1 強弱拓撲絕緣體26
• 1.2.2 第一代拓撲絕緣體26-27
• 1.2.3 第二代拓撲絕緣體27
• 1.3 3D拓撲絕緣體發(fā)展前景與應用27-44
• 1.3.1 時間反演(Time Reversal Symmetry)體系27-28
• 1.3.2 非時間反演體系28-29
• 1.3.3 Bi_2Se_3的研究進展29-43
• 1.3.4 前景與展望43-44
• 1.4 本論文的研究思路及主要研究內(nèi)容44-46
• 1.4.1 研究思路44-45
• 1.4.2 主要研究內(nèi)容45-46
• 第2章 實驗方法、實驗設備和表征手段46-53
• 2.1 塊材制備方法46-47
• 2.2 薄膜制備方法47-48
• 2.2.1 真空蒸發(fā)鍍膜法制備Bi_2Se_3薄膜47
• 2.2.2 磁控濺射法制備Bi_2Se_3薄膜47-48
• 2.2.3 高分子輔助化學溶液沉積法制備LSMO薄膜48
• 2.3 實驗儀器和表征手段48-53
• 2.3.1 X射線衍射儀48-49
• 2.3.2 掃描電子顯微鏡49
• 2.3.3 等離子體發(fā)射光譜儀49-50
• 2.3.4 霍爾測試系統(tǒng)50-51
• 2.3.5 綜合物性測試系統(tǒng)51-53
• 第3章 Bi_2Se_3中摻雜磁性元素引入鐵磁序53-89
• 3.1 引言53
• 3.2 磁性元素摻雜對Bi_2Se_3的影響53-54
• 3.3 Co元素摻雜對Bi_2Se_3的影響54-74
• 3.3.1 Co_xBi_(2-x)Se_3的制備54-55
• 3.3.2 XRD結(jié)果分析55-56
• 3.3.3 形貌及成分分析56-58
• 3.3.4 磁性研究58-62
• 3.3.5 電輸運行為62-67
• 3.3.6 樣品Co_(0.08)Bi_(1.92)Se_3物性研究67-72
• 3.3.7 Co摻雜Bi_2Se_3總結(jié)72-74
• 3.4 Ni元素摻雜對Bi_2Se_3的影響74-88
• 3.4.1 Ni_xBi_(2-x)Se_3的制備74-75
• 3.4.2 XRD結(jié)果分析75-76
• 3.4.3 形貌及成分分析76-78
• 3.4.4 磁性研究78-82
• 3.4.5 電輸運行為82-86
• 3.4.6 Ni元素摻雜Bi_2Se_3小結(jié)86-88
• 3.5 本章小結(jié)88-89
• 第4章 Bi_2Se_3中摻雜非磁性元素引入鐵磁序89-104
• 4.1 引言89
• 4.2 Bi_2C_xSe_(3-x)的制備89
• 4.3 XRD結(jié)果分析89-90
• 4.4 形貌及成分分析90-92
• 4.5 電輸運行為92-99
• 4.5.1 霍爾效應研究92-94
• 4.5.2 電阻溫度曲線研究94-96
• 4.5.3 磁電阻96-99
• 4.6 磁性研究99-102
• 4.7 本章小結(jié)102-104
• 第5章 真空蒸鍍制備Bi_2Se_3薄膜104-120
• 5.1 引言104
• 5.2 真空蒸鍍制備Bi_2Se_3薄膜的工藝探索104-108
• 5.2.1 實驗流程104-105
• 5.2.2 基底選取與清洗105
• 5.2.3 熱處理工藝105-106
• 5.2.4 不同退火溫度和保溫時間對Bi_2Se_3薄膜相結(jié)構的影響106-108
• 5.3 Bi_2Se_3/Si(100)蒸鍍薄膜的物性研究108-113
• 5.3.1 形貌分析108-109
• 5.3.2 電輸運行為109-112
• 5.3.3 WAL效應112-113
• 5.4 Bi_2Se_3/其它基底蒸鍍薄膜的物性研究113-118
• 5.4.1 XRD結(jié)果分析113-114
• 5.4.2 形貌和成分分析114-117
• 5.4.3 電輸運行為117-118
• 5.5 本章小結(jié)118-120
• 第6章 磁控濺射制備Bi_2Se_3薄膜120-132
• 6.1 引言120
• 6.2 磁控濺射制備Bi_2Se_3薄膜的工藝探索120-123
• 6.2.1 實驗流程120
• 6.2.2 基底選取與清洗120
• 6.2.3 熱處理工藝120-121
• 6.2.4 不同退火溫度對Bi_2Se_3薄膜相結(jié)構的影響121-123
• 6.3 Bi_2Se_3/Si(111)濺射薄膜的物性研究123-124
• 6.3.1 形貌分析123-124
• 6.3.2 電輸運行為124
• 6.4 Bi_2Se_3/Si(100)薄膜的物性研究124-130
• 6.4.1 XRD結(jié)果分析125
• 6.4.2 形貌和成分分析125-127
• 6.4.3 電輸運行為127-130
• 6.5 本章小結(jié)130-132
• 第七章 Bi_2Se_3/LSMO異質(zhì)結(jié)研究132-149
• 7.1 LSMO薄膜的制備工藝探索和物性研究132-136
• 7.1.1 La_(0.7)Sr_(0.3)MnO_3薄膜制備工藝探索132-134
• 7.1.2 測試結(jié)果分析134-136
• 7.2 蒸鍍法制備的Bi_2Se_3/LSMO異質(zhì)結(jié)的物性研究136-140
• 7.2.1 Bi_2Se_3/LSMO異質(zhì)結(jié)制備方法136
• 7.2.2 Bi_2Se_3/LSMO異質(zhì)結(jié)的物性研究136-140
• 7.3 濺射法制備Bi_2Se_3/LSMO異質(zhì)結(jié)研究140-147
• 7.3.1 Bi_2Se_3/LSMO異質(zhì)結(jié)的制備140-141
• 7.3.2 Bi_2Se_3/LSMO異質(zhì)結(jié)的物性研究141-147
• 7.4 本章小結(jié)147-149
• 結(jié)論149-152
• 致謝152-153
• 參考文獻153-166
• 攻讀博士學位期間取得的研究成果166-168

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本文編號：704722