专利名称：产生量子化反常霍尔效应的方法
技术领域：
本发明属于凝聚态物理领域，涉及一种产生量子化反常霍尔效应的方法。
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，实际上尚未实现这种理论上的量子化反常霍尔效应。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，提供一种能够产生量子化反常霍尔效应的方法尤为重要。
一种产生量子反常霍尔效应的方法，包括在绝缘基底上制备厚度为3QL至5QL的拓扑绝缘体量子阱薄膜；在制备该拓扑绝缘体量子阱薄膜的同时对该拓扑绝缘体量子阱薄膜掺杂第一元素与第二元素，形成磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜，该第一元素与该第二元素在该磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜中分别引入空穴型载流子与电子型载流子，使该磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜中载流子浓度载流子浓度降到IXlO13cnT2以下，该第一元素与该第二元素中的一种对该拓扑绝缘体量子阱薄膜进行磁性掺杂；以及对该磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜施加场电压使载流子浓度进一步降低至实现量子化反常霍尔效应。本发明的有益效果为本发明通过在拓扑绝缘体量子阱薄膜中构建一个四元体系，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磁性掺杂所引入的载流子能够由另一种掺杂原子所引入的相反类型的载流子相抵消，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
1.一种产生量子化反常霍尔效应的方法，包括在绝缘基底上制备厚度为3QL至5QL的拓扑绝缘体量子阱薄膜；在制备该拓扑绝缘体量子阱薄膜的同时对该拓扑绝缘体量子阱薄膜掺杂第一元素与第二元素，形成磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜，该第一元素与该第二元素在该磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜中分别引入空穴型载流子与电子型载流子，使该磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜中载流子浓度载流子浓度降到IXlO13cnT2以下，该第一元素与该第二元素中的一种对该拓扑绝缘体量子阱薄膜进行磁性掺杂；以及对该磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜施加场电压使载流子浓度进一步降低至实现量子化反常霍尔效应。
2.如权利要求1所述的产生量子化反常霍尔效应的方法，其特征在于，当该绝缘基底在温度小于或等于10开尔文下的介电常数大于5000时，该场电压仅通过背栅电极施加，该背栅电极设置在该绝缘基底远离该磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜的表面。
3.如权利要求1所述的产生量子化反常霍尔效应的方法，其特征在于，该绝缘基底为钛酸锶基底。
4.如权利要求1所述的产生量子化反常霍尔效应的方法，其特征在于，该磁性掺杂拓扑绝缘体量子讲薄膜的材料由化学式Cry(BixSt)1Ue3表示,其中0〈x〈l,0〈y〈2,且x与y 的值选择为使铬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铋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。
5.如权利要求1所述的产生量子化反常霍尔效应的方法，其特征在于，O.05<x<0. 3， 0<y<0.3，且 l:2〈x:y〈2:l。
6.如权利要求5所述的产生量子化反常霍尔效应的方法，其特征在于， 2:3 ^ x:y ^ 25:22。
7.如权利要求1所述的产生量子化反常霍尔效应的方法，其特征在于，该磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜的厚度为5QL。
8.如权利要求1所述的产生量子化反常霍尔效应的方法，其特征在于，在实现量子化反常霍尔效应时该磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜的反常霍尔电阻为25. SkQ。
9.如权利要求1所述的产生量子化反常霍尔效应的方法，其特征在于，该场电压通过液体栅极施加，该液体栅极设置在该磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜远离该绝缘基底的表面。
全文摘要
本发明涉及一种产生量子化反常霍尔效应的方法，包括在绝缘基底上制备厚度为3QL至5QL的拓扑绝缘体量子阱薄膜；在制备该拓扑绝缘体量子阱薄膜的同时对该拓扑绝缘体量子阱薄膜掺杂第一元素与第二元素，形成磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜，该第一元素与该第二元素在该磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜中分别引入空穴型载流子与电子型载流子，使该磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜中载流子浓度载流子浓度降到1×1013cm-2以下，该第一元素与该第二元素中的一种对该拓扑绝缘体量子阱薄膜进行磁性掺杂；以及对该磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜施加场电压使载流子浓度进一步降低至实现量子化反常霍尔效应。
文档编号H01L43/08GK103000804SQ20121055952
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, 王亚愚, 吕力, 常翠祖, 冯硝 申请人:清华大学, 中国科学院物理研究所