论文部分内容阅读
拓扑绝缘体作为一种新的拓扑物质态,近些年来已成为凝聚态物理和材料物理的研究热点。利用拓扑绝缘体和铁磁绝缘体异质结中的磁近邻效应,原则上可以在不引入杂质和缺陷的情况下,打破拓扑绝缘体的时间反演对称性,在表面态的狄拉克(Dirac)点附近打开能隙,进而产生许多新奇的量子磁电效应。然而,由于具有垂直磁各向异性的铁磁绝缘体十分稀少以及磁异质结中存在各种复杂的界面效应等因素,在磁性拓扑异质结中获得较强的界面磁近邻效应颇具挑战性。在本论文工作中,我们选用了磁各向异性不同的两种磁性绝缘体BaFe12O19(BaM)和Y3O5Fe12(YIG)作为衬底外延生长拓扑绝缘体Bi2Se3单晶薄膜,通过系统的磁学和电子输运测量揭示了这两种类型的磁性绝缘体对拓扑绝缘体输运性质的影响。这些研究使我们更深入地理解了拓扑绝缘体/铁磁绝缘体异质结中的界面相互作用,主要结果如下:Bi2Se3/BaM异质结研究:我们利用分子束外延技术在具有垂直磁各向异性的磁性绝缘体BaM上外延生长了Bi2Se3单晶薄膜,并将其制备成霍尔条器件以进行低温和强磁场下的电子输运测量。Bi2Se3/BaM异质结在垂直和平行磁场下均呈现出与Ba M磁化性质相关联的抛物型磁电阻,但其符号相反。对比非磁性衬底上相似Bi2Se3的输运性质,实验观测到的Bi2Se3/BaM的抛物型磁电阻可以用较强的界面磁性作用加以解释。Bi2Se3/YIG异质结研究:我们选用易磁化轴在面内的高质量YIG单晶为衬底外延生长了Bi2Se3单晶薄膜,制备成霍尔条器件并研究了其量子输运性质。垂直磁场下,Bi2Se3/YIG异质结的磁电阻为正,并在约60 G以下的弱磁场中,磁电阻偏离可用于描述非磁拓扑绝缘体薄膜低磁场输运的Hikami-Larkin-Nagaoka(HLN)公式。在平行磁场中,我们观测到随YIG磁畴结构变化而改变的负磁电阻,电阻极大值出现在YIG的矫顽场(接近零磁场)附近,并伴有电阻跳变。此外,这两种磁电阻的大小都随着温度的升高而急剧减小。实验表明该磁电阻来源于与界面磁性作用有关的量子相干输运。磁性拓扑绝缘体异质结中的磁近邻作用为观测Tatara和Fukuyama在1997年提出的磁畴壁的电子退相干效应提供一个可能的途径。上述研究加深了对拓扑绝缘体/磁性绝缘体异质结界面相互作用和量子输运性质的理解。这些工作为进一步优化拓扑绝缘体/磁性绝缘体异质结生长和器件制备、实现较强的界面相互作用以及探索新奇的拓扑自旋电子学效应奠定了一定的基础。