具有量子化反常霍爾效應的材料和由其形成的霍爾器件的制作方法
【技術領域】
[0001 ]本發明總體上設及凝聚態物理領域，更特別地，設及一種能夠在較高溫度下表現 出量子化反常霍爾效應的材料、W及利用該材料形成的霍爾器件。
【背景技術】
[0002] 霍爾化dwin H.化11)在1879年發現當將一個通有縱向電流的導體放置在一個垂 直磁場中時，會在電流的橫向方向上觀測到一個電壓值，運種現象被后人稱為霍爾效應 化all effect,肥）（參見非專利文獻1)。現在人們知道，霍爾效應是電子在磁場中運動時因 受到洛倫茲力而發生偏轉，從而在垂直于電流方向的兩側形成電荷積累，W形成橫向電壓， 使后來的電子受到一個電場力與洛倫茲力平衡之后，最終達到一個穩定狀態的效應。霍爾 效應是凝聚態物理中的一個基本現象，它廣泛用于確定樣品的載流子類型、載流子密度W 及測量磁場強度等。繼發現霍爾效應之后，霍爾在1880年又在鐵磁導體中發現了更強的"電 推擠效應(pressing electricity effect)"，運便是后來所謂的反常霍爾效應(anomalous 化11 effect,AHE)。隨后，在十九世紀末，由俄國圣匹茲堡伊沃弗研究所的弗萊舍教授研究 組在半導體中發現了所謂的自旋霍爾效應(spin化11 effect,S肥）。
[0003] 1980年，德國科學家克勞斯?馮?克利青化Iaus von Klitzing)教授發現，在極 低的溫度下（1.5K)，在平行于二維電子氣平面的方向上加上強磁場之后，測量得到的霍爾 電導是精確量子化的，并且呈現出非常寬的臺階狀平臺。測量得到的霍爾電導是兩個物理 學當中基本常量的比值(eVh=l/25812.807572)的整數倍，并且運個值是極其精確的，與 樣品的幾何狀況W及實驗的微觀細節沒有關系。運是凝聚態物理當中的一個重大的發現， 運種效應被命名為"整數量子霍爾效應"（integer quantum化11 effect,IQ肥）（參見非專 利文獻2)。之后，美籍華裔物理學家崔埼(D. C. Tsui)和美國物理學家施特默化丄.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 quan化m化11 effect，FQHE)(參見非專利文獻3)。運使得人們有理由認為，對于反常霍爾效應W及自旋霍 爾效應都應該有其對應的量子化形式。在2006年，由美國斯坦福大學美籍華裔物理學家張 首扇研究組理論研究了 CdTe/HgTe/CdTe的量子阱結構，發現了在其中可能實現"量子自旋 霍爾效應"（quantum spin化11 effect,QS肥）（參見非專利文獻4)。次年，德國維爾茨堡大 學的Molenkamp組在(Hg, Cd)Te/HgTe/Wg，Cd)Te量子阱體系中實驗觀察到了量子自旋霍爾 效應(參見非專利文獻5)。2010年，中國科學院物理研究所的方忠、戴希W及斯坦福大學的 張首扇等發現，通過在3~5QL(五原子層，Quintuple Layer)的BisSes族拓撲絕緣體中進行 磁性滲雜，通過柵極電壓調控的方式可W產生"量子反常霍爾效應"。通過不懈努力，由清華 大學薛其坤教授領導的聯合團隊終于在2013年初在5QL Cr滲雜的（BixSbi-x)2Te3量子阱薄 膜中成功觀察到了量子反常霍爾效應(參見非專利文獻6)。整數量子霍爾效應可W用作電 阻標準W及長度標準，而分數量子霍爾效應、量子自旋霍爾效應、量子反常霍爾效應則可W 用于自旋電子器件、拓撲量子計算等領域。其中，量子反常霍爾效應最具有應用前景，它相 當于不需要強磁場的整數量子霍爾效應，使得對于整數量子霍爾的應用當中去掉了需要維 持強磁場的要求。
[0004] 自從2013年在5QL化滲雜的(BixSbi-x)2Te3薄膜中觀測到量子反常霍爾效應W來， 雖然有很多體系被預言可W觀測到量子反常霍爾效應，但是都未能有所突破。直到2015年 初，由麻省理工的?Jagadeesh S.Moodera教授研究組在4QL V滲雜的（BixSbi-x)2Te3薄膜中實 現了量子反常霍爾效應(參見非專利文獻7)。雖然V滲雜的樣品相對于Cr滲雜的樣品顯示出 了更優越的性質，但是，與量子霍爾效應一樣，始終未能解決只能在極低溫(<l〇〇mK) W下觀 察到完美的量子反常霍爾效應（即縱向電阻率Pxx = O Q，橫向電阻率Pyx = 25812.807557( ± 18) Q，其中"±18"表示末兩位的誤差范圍）。量子反常霍爾效應的實驗觀測實現解決了量 子霍爾效應走向實際應用的其中一個問題，即不再需要極強的磁場(〉1T)，但是極低的溫度 (<100mK)依然是目前為止沒能解決的一個問題。
[0005] 非專利文獻 1:化11 E H.XXXVIII .On the new action of magnetism on a permanent electric current[J].Philosophical Magazine Series 5,2009,10(63): 301-328
[0006] 非專利文獻 2 : Kl itz ing K . V . et al . , New Method for High-Accuracy Determination of the Fine-Structure Constant Based on Quantized Hall Resis1:ance,F*hys Rev Lett, 1980,45:494-497
[0007] 非專利文獻3:Tsui D.C.et al. ,Two-Dimensional Magnetohansport in the Extreme Quantum Limit.Phys Rev Lett,1982,48:1559 1562
[000引 非專利文獻4 : Bernevig B . A . et al . , Quantum spin Hal I ef f ect and topological phase transition in HgTe quantum wells,Science,2006,314:1757-1761
[0009] 非專利文獻5:Konig M.et al. ,Qauntum spin Hall insulator state in IfeTe quantum wells.Science,2007,318:766-770
[0010] 非專利文南犬6:Chan邑 C Z et al. ,Experimental observation of the quantum anomalous Hall effect in a magnetic topological insulator. Science ,2013,340: 167-170
[0011] 非專利文南犬7 : Chan邑 C Z et al. ,Hi邑h-precision realization of robust quantum anomalous Hall state in a hard ferromagnetic topological insulator [J].NaUire Materials,2015,14(5):473-477
【發明內容】
[0012] 因此，提高產生量子反常霍爾效應的溫度便是量子反常霍爾效應領域下一個極其 重要的工作。
[0013] 本發明的一個方面在于提供一種具有量子化反常霍爾效應的材料，其能夠在更高 的溫度下表現出量子化反常霍爾效應。
[0014] 本發明的另一方面在于提供一種霍爾器件，其能工作在更高的溫度下。
[0015] 根據一示范性實施例，一種具有量子化反常霍爾效應的材料可包括:拓撲絕緣體 基材;滲雜到所述拓撲絕緣體基材中的第一元素，所述第一元素引入電子型載流子;W及滲 雜到所述拓撲絕緣體基材中的第二元素和第=元素，所述第二元素和所述第=元素每個引 入空穴型載流子和磁性，從而形成雙磁性滲雜拓撲絕緣體。
[0016] 在一些示例中，所述拓撲絕緣體基材包括SbsTes，所述第一元素包括Bi，所述第二 元素包括從化、Ti Je、Mn和V中選擇的一種元素，所述第S元素包括從化、Ti Je、Mn和V中選 擇的另一種元素。
[0017] 在一些示例中，所述第一元素、所述第二元素和所述第=元素W代替Sb位置的方 式滲雜。
[0018] 在一些示例中，所述第一元素引入的電子型載流子濃度與所述第二元素和所述第 =元素引入的空穴型載流子濃度基本相互抵消。
[0019]在一些示例中，所述材料具有1 X IQi3Cm2W下的載流子濃度。
[0020] 在一些示例中，所述第二元素包括V，所述第S元素包括Cr，所述材料由化學式 (CryVi-y )z (Bix 訊1-X) 2-zTe3表示，其中0<x< 1，0勺< 1，0知<2。
[0