自從拓?fù)浣^緣體被發(fā)現(xiàn)以來(lái),對(duì)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(shí)間反演對(duì)稱性,在狄拉克點(diǎn)附近誘導(dǎo)出一個(gè)能隙,從而實(shí)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(guò)磁近鄰效應(yīng)與鐵磁性絕緣體進(jìn)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(guò)磁近鄰效應(yīng)方法引入磁性可以避免帶來(lái)隨機(jī)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(yùn)性質(zhì),同時(shí)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?jī)H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(jìn)行二者近鄰耦合研究的關(guān)鍵和難點(diǎn)。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(zhǎng)與磁電輸運(yùn)性質(zhì)。外延生長(zhǎng)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(shí)具有高的晶體對(duì)稱性與較高的居里溫度(T_C~85 K)。通過(guò)系統(tǒng)地研究Bi_2Se_3薄膜在LaCoO_3/SrTiO_3上的生長(zhǎng)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(guò)電輸運(yùn)和磁性測(cè)量證明Bi_2Se_3薄膜中出現(xiàn)了鐵磁相,同時(shí)測(cè)得在100 K溫度時(shí)還存在反�；魻栃�(yīng)的信號(hào),這為實(shí)現(xiàn)高溫的自旋電子學(xué)器件應(yīng)用帶來(lái)了希望。本論文的主要研究結(jié)果包括如下幾個(gè)方面:(1)首次研究和報(bào)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(zhǎng)。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(zhǎng)條件,總結(jié)出Bi_2Se_3薄膜在LaCoO_3/SrTiO_3(001)襯底上生長(zhǎng)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(shí)我們發(fā)現(xiàn),相對(duì)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(zhǎng)形貌對(duì)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(bào)道了Bi_2Se_3/LaCoO_3異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電輸運(yùn)性質(zhì)和磁化性質(zhì)。通過(guò)測(cè)量該薄膜體系在磁場(chǎng)下的輸運(yùn)性質(zhì),我們得到在最優(yōu)化的生長(zhǎng)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(zhǎng)的Bi_2Se_3薄膜同等甚至更高的輸運(yùn)性能。通過(guò)與SrTiO_3襯底上生長(zhǎng)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(cè)量證明樣品中存在額外被誘導(dǎo)出的磁矩,說(shuō)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(jìn)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(shí)反�；魻栃�(yīng)的信號(hào)仍然存在,并且磁化測(cè)量也印證了在100 K時(shí)體系中確實(shí)還存在鐵磁性。這意味著通過(guò)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(cè)這與拓?fù)浣^緣體很大的自旋軌道耦合及受拓?fù)浔Ｗo(hù)的魯棒性質(zhì)有關(guān)。(3)將對(duì)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(duì)于輸運(yùn)性質(zhì)的觀測(cè)更加有利。我們通過(guò)改進(jìn)生長(zhǎng)方法,用MBE在SrTiO_3(111)襯底上外延生長(zhǎng)出了具有大臺(tái)階面積、無(wú)任何雜相的高質(zhì)量的(Bi_(1-x)Sb_x)_2Te_3(x=0.5)薄膜。通過(guò)輸運(yùn)測(cè)量中門電壓的調(diào)控使費(fèi)米能級(jí)處于接近于狄拉克點(diǎn)的位置,并得到了來(lái)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(zhǎng)和輸運(yùn)性質(zhì),通過(guò)探究和改進(jìn)其生長(zhǎng)條件得到了較高質(zhì)量的薄膜樣品。在輸運(yùn)測(cè)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(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級(jí)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(zhǎng)及其輸運(yùn)性質(zhì)研究面態(tài)（或邊緣態(tài)）。具體來(lái)說(shuō)，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(jià)帶，以及連接著導(dǎo)帶和價(jià)帶的、穿過(guò)費(fèi)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(lái)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(lái)主要討論的都是三維的強(qiáng)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(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)與新奇的物理性質(zhì)，自問(wèn)世以來(lái)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(cè)到 [5]，預(yù)示著拓?fù)浣^緣體時(shí)代的開啟。2008 年，Bi1-xSbx合金首先被證實(shí)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(duì)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(shí)驗(yàn)證實(shí)，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(dòng)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(fèi)米能級(jí)調(diào)制到體能隙中，進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)了張首晟等人的理論工作，而且為隨后而來(lái)的拓?fù)浣^緣體輸運(yùn)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(gè)螺旋自旋的金屬性的表面態(tài)[10]，這個(gè)表面態(tài)受到時(shí)間反演對(duì)稱性的保護(hù)，不受非磁性雜質(zhì)散射的影響。由于拓?fù)浣^緣體中存在來(lái)源于狄拉克費(fèi)米子的線性色散關(guān)系，表面態(tài)上的電子自旋和電子動(dòng)量會(huì)形成相互鎖定。這使得拓?fù)浣^緣體表面態(tài)上的電子運(yùn)動(dòng)可以不受背散射的影響[11]。

【相似文獻(xiàn)】

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1 平文勝,馮偉國(guó),吳翔;準(zhǔn)周期耦合量子點(diǎn)的輸運(yùn)性質(zhì)[J];紅外與毫米波學(xué)報(bào);1992年02期

2 任玉芳;呂曉毅;;Sm_2Ti O_5、Sm_2 Ti_2 O_7輸運(yùn)性質(zhì)的研究[J];分子科學(xué)學(xué)報(bào);1985年01期

3 萬(wàn)海青;卞祖武;;團(tuán)簇與電極之間的接觸距離對(duì)鋁硅團(tuán)簇的非平衡輸運(yùn)性質(zhì)的影響[J];江西教育學(xué)院學(xué)報(bào);2009年03期

4 郭建軍;惰性氣體輸運(yùn)性質(zhì)的理論計(jì)算[J];物理學(xué)報(bào);2002年03期

5 盛松,吳柏枚,楊東升,李薦揚(yáng),周雅琴,熊光成;磁轉(zhuǎn)變對(duì)La_(0.7)Ca_(0.3)MnO_3在T_c附近的輸運(yùn)性質(zhì)的影響[J];低溫物理學(xué)報(bào);1997年06期

6 阮可青,陳仙輝,馮宇,汪成友,曹烈兆,賈云波;Ca摻雜Nd_(1.85)Ce_(0.15)CuO_(4-δ)體系的輸運(yùn)性質(zhì)研究[J];物理學(xué)報(bào);1997年04期

7 李永靜;李文W

本文編號(hào)：2814278