铋基拓扑绝缘体中线性磁阻的机制与调控研究

Bismuth based topological insulator is a whole new class of electric material. It has stimulated extensive research interest due to its potential applications in spintronics and quantum computation. Magnetoresistance measurements play always an important role in the charge transport research in topological insulators. In the last two years, a phenomenon named linear magnetoresistance (LMR) was found in a wide range of bismuth based topological materials, while its origin is still elusive. Though current results suggest that it may originate from the topological protected surface state (TSS) with the presence of strong disorder, no definitive experimental proof is available yet. We aim to synthesize high quality bismuth based topological insulators using Vapour-Solid reaction and Polyol method. We will combine multiple transport measurement techniques to clarify the link between TSS and LMR, and investigate the physical mechanism behind the LMR in these materials. As the step further, we plan to enhance the magnetoresistance by tuning the carrier density, or through the introduction of inhomogeneity in the material by surface decoration techniques, such as the absorption of magnetic nano-particles/molecules on the surface. Our work may help to develop new magnetoresistive devices based on topological insulators.

铋基拓扑绝缘体作为一类全新的电子材料，在未来的自旋电子学以及量子计算领域有着巨大的应用潜力，近年来在基础与应用研究领域都激起了广泛的兴趣。磁阻研究作为拓扑绝缘体输运研究的重要组成部分，一直以来都是研究人员关注的焦点。近两年来，人们相继在一系列铋基拓扑绝缘体材料中发现了线性磁阻，然而其成因尚不清楚。尽管现有的结果均暗示线性磁阻可以成为强无序条件下材料表面拓扑电子态的指标性输运信号，但是至今尚无明确的证据支持这一点。我们计划采用固相-气相反应,水热法等方法制备高质量的铋基拓扑绝缘体材料，并结合多种电荷输运测量手段，明确线性磁阻与材料表面电子态之间的关联，并研究其背后的物理机制。在此基础上，我们将采用载流子浓度调控，在材料中引入非均匀性（表面纳米颗粒/有机分子修饰，表面图形化）等技术手段来增强磁阻，以此探索铋基拓扑绝缘体在磁阻器件方向上的可能应用。

拓扑绝缘体是一类新型的材料体系。由于材料中强的自旋-轨道相互作用，在其表面上会形成受到材料拓扑性质保护的电子态。该电子态具有线性的能量-动量色散关系，高迁移率，以及自旋指向与动量方向锁定等新颖的性质，因而有望在未来的电子器件研究中发挥重要作用。我们原计划对拓扑绝缘体中的线性磁阻进行研究。后由于拓扑绝缘体材料研究的迅速发展以及研究所工作方向调整，我们主要研究了拓扑绝缘体进行掺杂获得超导电性。拓扑超导的研究是拓扑绝缘体研究中较新颖的一个研究方向。在拓扑超导体的表面，可能存在Majorana类型的奇异量子态，因而受到学界的广泛关注。对拓扑绝缘体进行掺杂是获得拓扑超导电性的一个可能途径。我们合成了多种该类超导体，并发展了利用聚合物电解质胶体对超导电性进行调控的技术。..我们的研究内容主要包括两个部分。第一个部分是拓扑超导体的合成，及其结构与电子性质研究。我们发展了熔体法与电化学方法对拓扑绝缘体进行掺杂以获得超导材料，并利用电输运，磁性测量，角分辨光电子能谱，低温扫描显微谱等手段研究其结构与电子性质。这部分工作主要包括结合现有的融体法与电化学方法发展了一种新的两步制备铜掺杂硒化铋超导体的方法，该方法可以可靠获得零电阻的超导材料。我们还合成了锶掺杂的硒化铋超导体。该材料具有和本征硒化铋相似的电子浓度，但是具有较铜掺杂的硒化铋更高的超导体积比，最高超过70%。这些研究为探索掺杂拓扑绝缘体中超导电性的微观机理提供了材料基础。第二个部分是对超导材料电子性质的调控。我们发展了使用高聚物电解质胶体作为栅极调控材料中载流子浓度的方法。该方法结合了电场调控与电化学调控两种手段，提供了较传统固态栅极方法更加强大的对材料的超导电性进行调控的能力。我们利用NbSe2薄片验证了该技术的有效性。在高聚物电解质胶体的作用下，NbSe2薄片的超导温度表现出准可逆的的变化，其改变幅度大于材料初始超导转变温度的70%。我们的结果表明可控电化学过程可以成为材料电学性能调控的有力手段。