磁有序对Bi2Se3的霍尔输运性质影响的研究

摘要

凝聚态物理学中常常利用Landau的相变理论，通过发现自发对称性的破缺来分类不同的物相。在过去的几十年里，凝聚态物理学家们在对量子霍尔效应的广泛研究中发现了一种新的物相——拓扑相。在引入拓扑相这一概念之后，固体电子材料的实验和理论计算等研究得到了极大的发展，因此，拓扑绝缘体(Topological Insulator，TI )这一概念被提出来。由于拓扑绝缘体具有明显的轨道—自旋耦合(Spin-orbit coupling， SOC)效应以及表面和边缘的无能隙态，受到了时间反演对称的保护，因此展现了内部是绝缘体而表面则是导体的特性。近20年来，随着学者们的研究逐渐深入，与其相关的理论和实验研究也获得了科研人员大量的关注，已从第一代拓扑绝缘体发展到了第三代拓扑绝缘体。这类拥有特殊拓扑性能的材料，在实现量子反常霍尔效应，寻找Majorana费米子等方面有非常重要的意义，并且有望突破现今半导体电子器件在能耗，稳定性和尺寸问题所遇到的瓶颈，未来在量子计算机、和自旋电子器件等领域有着巨大的应用前景。　　表面态结构简单、拥有约为300meV的能隙，同时还有明显的狄拉克锥，是三维拓扑绝缘体Bi2Se3与其它两种三维拓扑绝缘体Bi2Te3和Sb2Te3材料相比的巨大优势。所以迄今为止，大多数的实验研究集中在了Bi2Se3材料上。其相关的生长工艺，输运性质，掺杂现象，都有了大量的研究工作。在TI中引入铁磁性可以在Dirac表面形成一个间隙，如果费米能级在这个间隙中，那么TI就是一个量子反常霍尔绝缘体。磁性掺杂可以破坏其时间反演对称的保护，这可能开辟新的应用领域，带来一些新的现象。因此，在现有制备高质量的Bi2Se3晶体材料中引入铁磁性，对其霍尔输运现象的研究也具有重要意义。本文通过铁磁性金属、非磁性金属、磁近邻效应三种不同方式诱导拓扑绝缘体Bi2Se3产生磁有序，并研究分析了不同磁有序对Bi2Se3晶体霍尔输运性质的影响，全文分为三部分：　　第一部分研究了磁性金属元素Fe掺杂Bi2Se3的性能。在Fe掺杂后的样品中，出现了SdH振荡现象，通过对其的分析和拟合，发现不同含量的掺杂样品的有效电子质量m*，丁格尔温度TD变化情况与晶格常数的变化情况高度相关，并且在样品的霍尔测试中发现了量子霍尔效应。　　第二部分研究了非磁性金属元素Li掺杂Bi2Se3样品的性能。在Li掺杂后的样品的R-T曲线中发现，T＜40K的温度范围内，样品的电阻随着温度的降低而升高，发生了金属—绝缘(M-I)的转变，说明表面态对样品的输运性质起到了主导作用。在低温下发现样品的磁电阻出现了弱反局域效应，并随着磁场和温度的升高而逐渐消失。通过霍尔测试发现Li的掺杂将样品从n型调控到了p型。　　第三部分研究Bi2Se3单晶样品和不同厚度的硅橡胶粘接型Bi2Se3/LSMO复合样品的各项性能。在R—T测试中发现粘接型复合样品在230K左右出现电阻峰，与LSMO的电阻峰位置相同。纵向电阻Rxx随磁场B的变化曲线图中，复合样品的磁电阻随磁场变化的情况与纯Bi2Se3样品的磁电阻变化情况基本一致，复合样品的MR值与纯样的MR值相比，可以提高一个数量级大小。复合样品的霍尔输运测试中，发现霍尔电阻随着样品的Bi2Se3厚度变薄而开始变得非线性。同时低温与高温间的霍尔电阻出现了展宽，样品的厚度越薄展宽越来越大。在Bi2Se3/LSMO-2号样品的霍尔电阻上出现量子振荡，随着磁场的逐渐增大，这个振荡越明显。最后对三种不同方式诱导磁序对霍尔输运性质的影响做了简单对比与总结。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 霍尔效应的发展历程

1.1.1 霍尔效应与反常霍尔效应

1.1.2 量子霍尔效应

1.1.3 量子自旋霍尔效应

1.1.4 量子反常霍尔效应

1.2 拓扑绝缘体Bi2Se3的介绍

1.2.1 Bi2Se3单晶的研究现状

1.2.2 Bi2Se3的表面态性质

1.3 本文思路及主要内容

第2章 样品的制备与表征分析方法

2.1 样品的制备方法

2.1.1 常用制备方法

2.1.2 Bi2Se3的掺杂样品的制备

2.1.3 Bi2Se3/La0.7Sr0.3MnO3粘接型复合样品的制备

2.2 样品的测试及表征方法

2.2.1 X’Pert Panalytical X-射线衍射(XRD)

2.2.2扫描电子显微镜

2.2.3 霍尔输运分析

2.3 本章小结

第3章 Fe掺杂Bi2Se3的性能研究

3.1 引言

3.2 Fe掺杂Bi2Se3样品的制备

3.3 Fe掺杂Bi2Se3样品的XRD分析

3.4 Fe掺杂Bi2Se3样品的形貌分析

3.5 Fe掺杂Bi2Se3样品的电磁输运性质的测量及分析

3.5.1 电阻率与温度关系

3.5.2 Fe掺杂Bi2Se3样品磁电阻输运性质

3.6 Fe掺杂Bi2Se3的霍尔输运性质的研究

3.7 Fe掺杂Bi2Se3样品总结

第4章 Li掺杂Bi2Se3的性能研究

4.1 引言

4.2 Li掺杂Bi2Se3样品的制备

4.3 Li掺杂Bi2Se3样品的XRD分析

4.4 Li掺杂Bi2Se3样品电磁输运性质的测量及分析

4.4.1 电阻与温度关系

4.4.2 Li掺杂Bi2Se3样品磁电阻输运性质

4.5 Li掺杂Bi2Se3样品的霍尔输运性质的研究

4.6 Li掺杂Bi2Se3样品总结

第5章 Bi2Se3/La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)复合结构的研究

5.1 引言

5.2 Bi2Se3/LSMO硅橡胶粘接型复合结构样品的制备

5.3 Bi2Se3/LSMO硅橡胶粘接型复合结构样品的XRD分析

5.4 Bi2Se3/LSMO硅橡胶粘接型复合结构样品的电磁输运性质

5.4.1电阻与温度关系

5.4.2 粘接型复合样品的磁电阻输运性质

5.5 粘接型复合样品的霍尔输运性质的研究

5.6 粘接型复合样品的总结

5.7 三种磁序诱导方式的输运性质的对比

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果