發(fā)布時間：2017-04-28 01:04

  本文關鍵詞：拓撲絕緣體在柵極電場和脈沖磁場中的輸運性質，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：拓撲絕緣體是近年來發(fā)現(xiàn)的一類新型量子材料,具有拓撲非平庸的絕緣性體能帶結構和受時間反演對稱性保護的金屬性表面態(tài)。本論文研究三維拓撲絕緣體薄膜和單晶在柵極電場和脈沖磁場中的輸運性質。無論是拓撲絕緣體薄膜還是單晶,破壞其時間反演對稱性都可能產(chǎn)生新奇的拓撲量子效應。通過磁性摻雜在拓撲絕緣體中建立長程鐵磁序是破壞時間反演對稱性的方法之一,具有長程鐵磁序的拓撲絕緣體可視為兩個具有不同手性特征的狄拉克費米子中間夾著的一層鐵磁層,這類材料的輸運性質非常有趣。我們首先研究的是處于拓撲相變臨界點附近的磁性拓撲絕緣體薄膜。通過原位的柵極電場,拓撲絕緣體可以從鐵磁態(tài)轉變?yōu)轫槾艖B(tài),這一量子相變的發(fā)生同時伴隨反常霍爾效應符號的改變。而對處于拓撲非平庸相的磁性拓撲絕緣體而言,無論是空穴型還是電子型,體系的鐵磁性都會隨載流子濃度的增加而增強。磁性拓撲絕緣體的磁阻行為在柵極電場下會產(chǎn)生一系列變化,具體表現(xiàn)為:當費米能級靠近狄拉克點,電阻隨磁場的增強而變大,表現(xiàn)為正的磁阻行為;當費米能級遠離狄拉克點,電阻隨磁場的增強反而變小,表現(xiàn)為負的磁阻行為。這與傳統(tǒng)的局域化行為相反。而進一步研究發(fā)現(xiàn),拓撲表面態(tài)的弱反局域化行為與體態(tài)鐵磁性引起的負磁阻的競爭,是產(chǎn)生上述多樣化磁阻行為的物理機制。磁場是另一種破壞時間反演對稱性的方法。量子振蕩是研究材料費米面及塞曼效應的實驗技術,利用該技術我們研究了Bi2Te3-xSx拓撲絕緣體單晶在92特斯拉脈沖磁場中的輸運性質。通過對比脈沖磁場中縱向電阻的Shubnikov-de Haas振蕩行為與磁化率的de Hass-van Alphen振蕩行為,可以清楚區(qū)分拓撲表面態(tài)與體態(tài)的量子振蕩。當體態(tài)到達量子臨界后,拓撲表面態(tài)的塞曼效應得以證明。在柵極電場和脈沖磁場的共同作用下,Sb2Te3薄膜的磁阻行為可以分為四種。因體載流子的貢獻,低磁場下的弱反局域化行為將演變成拋物線形行為。拋物線形的磁阻行為隨著磁場的升高逐步變成線性。當體態(tài)載流子被電場和磁場壓制后,拓撲表面態(tài)在強磁場中進入量子霍爾態(tài),導致負磁阻行為的出現(xiàn)。上述實驗結果揭示了拓撲絕緣體在柵極電場與脈沖磁場中的本征輸運性質,這為拓撲絕緣體在微電子器件和自旋電子學領域的應用提供了重要依據(jù)。
【關鍵詞】：拓撲絕緣體 鐵磁性 磁阻 量子振蕩 塞曼效應
【學位授予單位】：清華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O469
【目錄】：

• 摘要3-4
• abstract4-10
• Chapter 1 Introduction10-29
• 1.1 Overview of topological insulators10-15
• 1.2 Magnetically doped topological insulators15-20
• 1.3 Interplay between topology and magnetism20-23
• 1.4 Quantum oscillation measurements in topological insulators23-28
• 1.5 Organization of this thesis28-29
• Chapter 2 Experimental setup and methods29-45
• 2.1 General considerations in transport measurements29-32
• 2.2 Setup of transport measurements in the superconducting magnet32-37
• 2.2.1 Cryogenics in the superconducting magnet32-35
• 2.2.2 Probe design for transport measurements35-36
• 2.2.3 Data acquisition36-37
• 2.3 Setup of transport measurements in the pulsed magnet37-43
• 2.3.1 Cryogenics in the pulsed magnet37-40
• 2.3.2 Probe design in the pulsed magnet40-42
• 2.3.3 High speed data acquisition42-43
• 2.4 Sample growth and ARPES measurements43-45
• Chapter 3 Electrical control of magnetization45-61
• 3.1 Tuning magnetism near the topological phase transition45-51
• 3.2 Tuning magnetism in the electron-doped regime51-55
• 3.3 Tuning magnetism in the hole-doped regime55-60
• 3.4 Summary60-61
• Chapter 4 Electrically tuned magnetoresistance in Cr_(0.15)(Bi_(0.1)Sb_(0.9))_(1.85)Te_361-78
• 4.1 Device fabrication61-62
• 4.2 Long range ferromagnetic order in the sample62-64
• 4.3 Evolution of ferromagnetism with gate electric field64-67
• 4.4 Evolution of magnetoresistance with gate electric field67-68
• 4.5 Correlation between magnetoresistance and ferromagnetism68-72
• 4.6 Revealing the origin of the perplexing magnetoresistance72-76
• 4.7 Summary76-78
• Chapter 5 Zeeman effect of Bi2Te3-x Sx in ultrahigh pulsed magnetic field78-95
• 5.1 Breaking time reversal symmetry by magnetic field78-79
• 5.2 Quantum oscillations as a function of carrier density79-85
• 5.3 Quantum oscillations in the 100 T pulsed magnet85-87
• 5.4 Zeeman shift of the zeroth Landau Level87-90
• 5.5 Angle dependence of quantum oscillations90-94
• 5.6 Summary94-95
• Chapter 6 Ambipolar transport in pulsed magnetic field95-109
• 6.1 Transport properties of Sb2Te3/Bi2Te3 heterostructures95-100
• 6.2 Transport properties of Sb2Te3 thin film in the pulsed magnet100-106
• 6.3 Linear magnetoresistance in Sb2Te3 thin film106-107
• 6.4 Phase diagram of magnetoresistance in Sb2Te3 thin film107-108
• 6.5 Summary108-109
• Chapter 7 Conclusion109-111
• Reference111-125
• Acknowledgement125-128
• 個人簡歷、在學期間發(fā)表的學術論文與研究成果128-129

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本文編號：331794