專利名稱：拓撲絕緣體結構的制作方法
技術領域：
本發明屬于凝聚態物理領域，涉及ー種拓撲絕緣體結構。
背景技術：
霍爾效應(Hall effect, HE)是由美國物理學家霍爾(E. H. Hall)于1879年在研究金屬的導電結構時發現的。當電流垂直于外磁場通過導體時，在導體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現電勢差，這ー現象便是霍爾效應。隨后科學家們在磁性材料中發現了反常霍爾效應(anomalous Hall effect, AHE)以及在半導體中發現了自旋霍爾效應(spin Hall effect, SHE)。從理論上講，這三種霍爾效應在一定的條件下應該存在其相應的量子化形式。1980年，德國物理學家克利青(K. V.Klitzing)等在研究極低溫度和強磁場中的半導體ニ維電子氣的輸運性質時發現了量 子霍爾效應(quantum Hall effect, QHE) (Klitzing K. V. et al. , New Method forHigh-Accuracy Determination of the Fine-Structure Constant Based on QuantizedHall Resistance, Phys Rev Lett, 1980, 45:494-497)。之后，美籟華裔物理學家崔綺(D.C. Tsui)和美國物理學家施特默(H. L. Stormer)在更強磁場下研究量子霍爾效應時發現了分數量子霍爾效應(fractional quantum Hall effect, FQHE) (Tsui D. C. et al.,Two-Dimensional Magnetotransport in the Extreme Quantum Limit. Phys Rev Lett,1982，48:1559-1562)。2006年，斯坦福大學美籍華裔理論物理學家張首晟教授的預測，在HgTe的量子講中可以實現所謂的“量子自旋霍爾效應”(quantum spin Hall effect,QSHlノ (Bernevig B. A. et al. , Quantum spin Hall effect and topological phasetransition in HgTe quantum wells, Science, 2006, 314:1757-1761.)。2007 年量子自旋霍爾效應被證明確實存在(Konig M. et al. Qauntum spin Hall insulator statein HgTe quantum wells. Science, 2007, 318:766-770)。唯獨量子化的反常霍爾效應(quantum anomalous Hall effect, QAHE)至今未在實驗中觀測到。QAHE就是零磁場下的量子霍爾效應，不需朗道能級就可以使霍爾電阻=h/e2=25. 8千歐(h為普朗克常數，e為電子電荷)，即量子電阻，可以擺脫量子霍爾效應對強磁場和樣品高遷移率的要求，具有現實的應用意義。拓撲絕緣體(topological insulator)是近年來新認識到的ー種物質形態,它的體能帶結構和普通的絕緣體沒有區別，都在費米能級處有一有限大小的能隙，然而在其表面(或邊界)處卻有無能隙、狄拉克(Dirac)型(具有線性色散關系)、自旋非簡并的表面(或邊界)態，從而允許導電。這種表面(或邊界)態的存在被體能帶的拓撲性質所保護，因此原則上不會被表面(或邊界)處的無序所破壞。拓撲絕緣體分為三維拓撲絕緣體和ニ維拓撲絕緣體。三維拓撲絕緣體具有受拓撲保護的ニ維表面態，ニ維拓撲絕緣體具有受拓撲保護的ー維邊界態。特別是Bi2Se3族(包括Bi2Se3, Bi2Te3和Sb2Te3)拓撲絕緣體材料的發現，使得拓撲絕緣體逐漸成為凝聚態物理研究的熱點。理論物理學家預言在拓撲絕緣體中弓I入鐵磁性將會導致多種新奇拓撲量子效應的出現，例如拓撲磁電效應、鏡像磁單極效應，以及量子化的反常霍爾效應。2010年，中國科學院物理研究所的方忠、戴希研究組預言在三維拓撲絕緣體Bi2Se3, Bi2Te3和Sb2Te3的薄膜中通過摻雜過渡金屬元素Cr或者 Fe 可以實現 QAHE (Yu R. et al. , Quantized anomalous Hall effect in magnetictopological insulators, Science, 2010, 329:61-64)。該文章中提出要實現QAHE,需要具備三個條件(I)首先制備出高質量的層厚為3QL至5QL的拓撲絕緣體量子阱薄膜；(2)在拓撲絕緣體量子阱薄膜中實現鐵磁性；(3)通過調節量子阱薄膜的化學勢使之落入磁性打開的表面態能隙中，也就是實現鐵磁絕緣體。然而，實際上尚未制造出ー種能夠實現量子化的反常霍爾效應的拓撲絕緣體。甚至尚未制造出一種能夠使反常霍爾電阻在千歐量級(對于5納米厚的薄膜，對應的電阻率大于或等于0. 5毫歐 厘米)的鐵磁材料(包括磁性摻雜的拓撲絕緣體)
發明內容
有鑒于此，提供一種能夠獲得較大的反常霍爾電阻的拓撲絕緣體結構尤為重要。ー種拓撲絕緣體結構，包括絕緣基底及生長在絕緣基底表面的磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜，該磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜的材料由化學式Cry(BixSbh)2ITe3表示，其中0〈X〈l，0〈y〈2，且X與y的值選擇為使鉻(Cr)在該磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜中引入的空穴型載流子與鉍(Bi)在該磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜中引入的電子型載流子基本相互抵消。該磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜的厚度為3QL至5QL (約為3nm '5nm)0ー種拓撲絕緣體結構，包括絕緣基底及設置在該絕緣基底表面的磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜，該磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜的材料由化學式Cry (BixSb1J 2-yTe3表示，其中0〈x〈l，0〈y〈2，該磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜的厚度為3QL至5QL，該磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜的反常霍爾電阻Rah為7. 74k Q ^ Rah^ 25. 8k Q，且反常霍爾角a > 0. 2。本發明的有益效果為本發明通過在Sb2Te3中同時摻入Cr及Bi，構建ー個四元體系，同時引入了兩種能夠產生相反類型載流子的摻雜原子，在使Sb2Te3具有鐵磁性的同時使由于Cr的摻雜所引入的空穴型載流子能夠由另一種摻雜原子(Bi)所引入的相反類型的電子型載流子相抵消，從而最大限度的降低體系中的載流子濃度，從而可以獲得較大的反常霍爾電阻，甚至實現量子化反常霍爾效應。
圖1為本發明實施例Sb2Te3晶格結構示意圖，其中(a)為立體圖，(b)為俯視圖，(c)為IQL的內部結構圖。圖2為本發明實施例MBE反應腔體結構示意圖。圖3為Cr摻雜的Sb2Te3的原子分辨圖。圖4為本發明實施例電學器件的側視示意圖。圖5為本發明實施例電學器件的俯視示意圖。圖6為本發明實施例1的磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜在不同背柵極電壓Vb下的霍爾曲線，其中Ryx的單位為量子電阻h/e2，即25. SkQ。
圖7為本發明實施例1的磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜在不同Vb下的磁阻曲線，其中Rxx的單位為量子電阻h/e2，即25. 8kQ。圖8為本發明實施例1的磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜的Ryx及Rxx隨Vb變化曲線，其中Ryx及Rxx的単位均為量子電阻h/e2，即25. 8kQ。圖9為本發明實施例1的磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜的霍爾角 f與Vb的變化曲線。圖10為本發明實施例2的磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜在不同Vb下的霍爾曲線。圖11為本發明實施例2的磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜在不同Vb下的磁阻曲線。圖12為本發明實施例2的磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜的霍爾角
權利要求
1.一種拓撲絕緣體結構,包括 絕緣基底； 設置在該絕緣基底表面的磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜； 其特征在于，該磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜的材料由化學式Cry(BixSbh)2_yTe3表示，其中0〈x〈l，0〈y〈2，且X與y的值選擇為使鉻在該磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜中引入的空穴型載流子與鉍在該磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜中引入的電子型載流子基本相互抵消，該磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜的厚度為3QL至5QL。
2.如權利要求1所述的拓撲絕緣體結構，其特征在于，O.05〈x〈0. 3，0〈y〈0. 3，且l:2<x:y<2:1o
3.如權利要求2所述的拓撲絕緣體結構，其特征在于，2:3( x:y ( 25:22。
4.如權利要求1所述的拓撲絕緣體結構，其特征在于，該磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜的厚度為5QL。
5.如權利要求1所述的拓撲絕緣體結構，其特征在于，該絕緣基底的材料為鈦酸鍶。
6.如權利要求1所述的拓撲絕緣體結構，其特征在于，該磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜為Crai5 (BiaitlSba^u5Te3,厚度為5QL，絕緣基底的材料為鈦酸鍶。
7.如權利要求1所述的拓撲絕緣體結構，其特征在于，該磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜的載流子濃度為IXlO13cnT2以下。
8.如權利要求1所述的拓撲絕緣體結構，其特征在于，該磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜的反常霍爾電阻Rah為7.74k Ω彡Rah彡25.8k Ω，且反常霍爾角α彡O. 2。
9.一種拓撲絕緣體結構,包括 絕緣基底； 設置在該絕緣基底表面的磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜； 其特征在于，該磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜的材料由化學式Cry(BixSbh)2_yTe3表示，其中0〈X〈l，0〈y〈2，該磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜的厚度為3QL至5QL，該磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜的反常霍爾電阻Rah為7. 74k Ω ^ Rah^ 25. 8k Ω，且反常霍爾角a ≤ O. 2ο
10.如權利要求9所述的拓撲絕緣體結構,其特征在于,該磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜的載流子濃度為IXlO13cnT2以下。
全文摘要
本發明涉及一種拓撲絕緣體結構，包括絕緣基底及生長在絕緣基底表面的磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜，該磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜的材料由化學式Cry(BixSb1-x)2-yTe3表示，其中0<x<1，0<y<2，且x與y的值選擇為使鉻(Cr)在該磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜中引入的空穴型載流子與鉍(Bi)在該磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜中引入的電子型載流子基本相互抵消，該磁性摻雜拓撲絕緣體量子阱薄膜的厚度為3QL至5QL(約為3nm~5nm)。
文檔編號C01B19/00GK103022341SQ20121055956
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月21日 優先權日2012年12月21日
發明者薛其坤, 何珂, 馬旭村, 陳曦, 王立莉, 常翠祖, 馮硝, 李耀義, 賈金鋒 申請人:清華大學, 中國科學院物理研究所