专利名称：拓扑绝缘体结构的制备方法
技术领域：
本发明属于凝聚态物理领域，涉及一种拓扑绝缘体结构的制备方法。
背景技术：
霍尔效应(Hall effect, HE)是由美国物理学家霍尔(E. H. Hall)于1879年在研究金属的导电结构时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。随后科学家们在磁性材料中发现了反常霍尔效应(anomalous Hall effect, AHE)以及在半导体中发现了自旋霍尔效应(spin Hall effect, SHE)。从理论上讲，这三种霍尔效应在一定的条件下应该存在其相应的量子化形式。1980年，德国物理学家克利青(K. V. Klitzing)等在研究极低温度和强磁场中的半导体二维电子气的输运性质时发现了量子霍尔效应(quantum Hall effect, QHE) (Klitzing Κ. 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，美籍华裔物理学家崔綺(D.
C.Tsui)和美国物理学家施特默(H. L. Stormer)在更强磁场下研究量子霍尔效应时发现了分数量子霍尔效应(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，斯坦福大学美籍华裔理论物理学家张首晟教授的预测，在HgTe的量子讲中可以实现所谓的“量子自旋霍尔效应”(quantum spin Hall effect,QSHE) (Bernevig B. A. et al. , Quantum spin Hall effect and topological phasetransition in HgTe quantum wells, Science, 2006, 314:1757-1761·)。2007 年量子自旋霍尔效应被证明确实存在(Konig M. et al. Qauntum spin Hall insulator statein HgTe quantum wells. Science, 2007, 318:766-770)。唯独量子化的反常霍尔效应(quantum anomalous Hall effect, QAHE)至今未在实验中观测到。QAHE就是零磁场下的量子霍尔效应，不需朗道能级就可以使霍尔电阻=h/e2=25. 8千欧(h为普朗克常数，e为电子电荷)，即量子电阻，可以摆脱量子霍尔效应对强磁场和样品高迁移率的要求，具有现实的应用意义。拓扑绝缘体(topological insulator)是近年来新认识到的一种物质形态,它的体能带结构和普通的绝缘体没有区别，都在费米能级处有一有限大小的能隙，然而在其表面(或边界)处却有无能隙、狄拉克(Dirac)型(具有线性色散关系)、自旋非简并的表面(或边界)态，从而允许导电。这种表面(或边界)态的存在被体能带的拓扑性质所保护，因此原则上不会被表面(或边界)处的无序所破坏。拓扑绝缘体分为三维拓扑绝缘体和二维拓扑绝缘体。三维拓扑绝缘体具有受拓扑保护的二维表面态，二维拓扑绝缘体具有受拓扑保护的一维边界态。特别是Bi2Se3族(包括Bi2Se3, Bi2Te3和Sb2Te3)拓扑绝缘体材料的发现，使得拓扑绝缘体逐渐成为凝聚态物理研究的热点。理论物理学家预言在拓扑绝缘体中弓I入铁磁性将会导致多种新奇拓扑量子效应的出现，例如拓扑磁电效应、镜像磁单极效应，以及量子化的反常霍尔效应。2010年，中国科学院物理研究所的方忠、戴希研究组预言在三维拓扑绝缘体Bi2Se3, Bi2Te3和Sb2Te3的薄膜中通过掺杂过渡金属元素Cr或者 Fe 可以实现 QAHE (Yu R. et al. , Quantized anomalous Hall effect in magnetictopological insulators, Science, 2010, 329:61-64)。该文章中提出要实现QAHE,需要具备三个条件(1)首先制备出高质量的层厚为3QL至5QL的拓扑绝缘体量子阱薄膜；(2)在拓扑绝缘体量子阱薄膜中实现铁磁性；(3)通过调节量子阱薄膜的化学势使之落入磁性打开的表面态能隙中，也就是实现铁磁绝缘体。然而，实际上尚未制造出一种能够实现量子化的反常霍尔效应的拓扑绝缘体。甚至尚未制造出一种能够使反常霍尔电阻在千欧量级(对于5纳米厚的薄膜，对应的电阻率大于或等于O. 5毫欧·厘米)的铁磁材料(包括磁性掺杂的拓扑绝缘体)。
发明内容
有鉴于此，提供一种能够获得较大的反常霍尔电阻的拓扑绝缘体结构的制备方法尤为重要。 一种拓扑绝缘体结构的制备方法，包括提供一钛酸锶基底，该钛酸锶基底具有(111)晶面的表面，该钛酸锶基底设置在压强小于1.0 X 10_8 Pa的分子束外延反应腔体中；将该钛酸锶基底在该分子束外延反应腔体中进行热处理，使该表面清洁；加热该钛酸锶基底并在该分子束外延反应腔体中同时形成B1、Sb、Cr及Te的束流，并控制B1、Sb、Cr及Te的束流的流量从而控制B1、Sb、Cr及Te之间的比例，使Cr在该磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜中引入的空穴型载流子与Bi在该磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜中引入的电子型载流子基本相互抵消，从而在该钛酸锶基底的该表面形成磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜，该磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜的材料由化学式Cry(BixSbh)2Je3表示，其中0〈χ〈1，0〈y〈2，该磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜的厚度为3QL至5QL。本发明的有益效果为本发明通过在Sb2Te3中同时掺入Cr及Bi，构建一个四元体系，同时引入了两种能够产生相反类型载流子的掺杂原子，在使Sb2Te3具有铁磁性的同时使由于Cr的掺杂所引入的空穴型载流子能够由另一种掺杂原子(Bi)所引入的相反类型的电子型载流子相抵消，从而最大限度的降低体系中的载流子浓度，从而可以获得较大的反常霍尔电阻，甚至实现量子化反常霍尔效应。
图1为本发明实施例Sb2Te3晶格结构示意图，其中(a)为立体图，(b)为俯视图，(c)为IQL的内部结构图。图2为本发明实施例MBE反应腔体结构示意图。图3为Cr掺杂的Sb2Te3的原子分辨图。图4为本发明实施例电学器件的侧视示意图。图5为本发明实施例电学器件的俯视示意图。图6为本发明实施例1的磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜在不同背栅极电压Vb下的霍尔曲线，其中Ryx的单位为量子电阻h/e2，即25. SkQ。图7为本发明实施例1的磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜在不同Vb下的磁阻曲线，其中Rxx的单位为量子电阻h/e2，即25. 8kΩ。图8为本发明实施例1的磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜的Ryx及Rxx随Vb变化曲线，其中Ryx及Rxx的单位均为量子电阻h/e2，即25. 8kΩ。图9为本发明实施例1的磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜的霍尔角
权利要求
1.一种拓扑绝缘体结构的制备方法，包括提供一钛酸锶基底，该钛酸锶基底具有(111)晶面的表面，该钛酸锶基底设置在压强小于1. OX 10_8 Pa的分子束外延反应腔体中；将该钛酸锶基底在该分子束外延反应腔体中进行热处理，使该表面清洁；加热该钛酸锶基底并在该分子束外延反应腔体中同时形成B1、Sb、Cr及Te的束流，并控制B1、Sb、Cr及Te的束流的流量从而控制B1、Sb、Cr及Te之间的比例，使Cr在该磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜中引入的空穴型载流子与Bi在该磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜中引入的电子型载流子基本相互抵消，从而在该钛酸锶基底的该表面形成磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜，该磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜的材料由化学式Cry (BixSlvx) 2-yTe3 表示，其中0〈X〈l，0〈y〈2，该磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜的厚度为3QL至5QL。
2.如权利要求1所述的拓扑绝缘体结构的制备方法，其特征在于，该提供一钛酸锶基底的步骤包括将该钛酸锶基底切割出(111)晶面的表面；将该钛酸锶基底在的去离子水中加热；以及将该钛酸锶基底在氧气和氩气氛围中800°C至1200°C灼烧。
3.如权利要求1所述的拓扑绝缘体结构的制备方法，其特征在于，该热处理的温度为 600°C，热处理的时间为I小时至2小时。
4.如权利要求1所述的拓扑绝缘体结构的制备方法，其特征在于，VTe>(VCr+VBi+Vsb), VTe> VB1、Vsb及Vcr分别为该B1、Sb、Cr及Te的流量。
5.如权利要求1所述的拓扑绝缘体结构的制备方法，其特征在于，(V&+VBi+Vsb):VTe为 1:10 至 1:15。
6.如权利要求1所述的拓扑绝缘体结构的制备方法，其特征在于，该B1、Sb、Cr及Te 的束流为通过加热B1、Sb、Cr及Te的蒸发源形成，该B1、Sb、Cr及Te的束流的流量通过控制B1、Sb、Cr及Te的蒸发源的加热温度进行控制。
7.如权利要求1所述的拓扑绝缘体结构的制备方法，其特征在于，所述加热该钛酸锶基底的加热温度为180°C至250°C。
8.如权利要求1所述的拓扑绝缘体结构的制备方法，其特征在于，先在钛酸锶基底具有第一温度时形成第I层QL的磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜，并在钛酸锶基底具有第二温度时形成另外4层QL的磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜，该第二温度大于该第一温度。
9.如权利要求1所述的拓扑绝缘体结构的制备方法，其特征在于，在形成该磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜后进一步包括一退火步骤，该退火温度为180°C至250°C，退火时间为10分钟至I小时。
10.如权利要求1所述的拓扑绝缘体结构的制备方法，其特征在于，O.05〈x〈0. 3， 0<y<0.3，且 l:2〈x:y〈2:l。
全文摘要
本发明涉及一种拓扑绝缘体结构的制备方法，包括提供一钛酸锶基底；将该钛酸锶基底在分子束外延反应腔体中进行热处理，使该表面清洁；加热该钛酸锶基底并在该分子束外延反应腔体中同时形成Bi、Sb、Cr及Te的束流，并控制Bi、Sb、Cr及Te的束流的流量从而控制Bi、Sb、Cr及Te之间的比例，使Cr在该磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜中引入的空穴型载流子与Bi在该磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜中引入的电子型载流子基本相互抵消，从而在该钛酸锶基底的该表面形成磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜，该磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜的材料由化学式Cry(BixSb1-x)2-yTe3表示，其中0<x<1，0<y<2，该磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜的厚度为3QL至5QL。
文档编号C30B25/02GK102995117SQ201210559458
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月21日 优先权日2012年12月21日
发明者薛其坤, 何珂, 马旭村, 陈曦, 王立莉, 常翠祖, 冯硝, 李耀义, 贾金锋 申请人:清华大学, 中国科学院物理研究所