磁性掺杂Bi2Se3族拓扑绝缘体薄膜的电子结构和物性研究

拓扑绝缘体是近年来新发现的一种物质形态，已成为凝聚态物理和材料科学研究的热点领域。拓扑绝缘体的表面态与磁有序的相互作用会导致很多新奇的量子现象，如量子化反常霍儿效应、拓扑磁电效应、镜像磁单极子效应等。在本项目中，我们将探索通过在Bi2Se3家族拓扑绝缘体中掺入磁性杂质原子的方法引入磁有序，并研究拓扑表面态与磁有序的相互作用。我们将利用原位的角分辨光电子能谱、扫描隧道显微镜、表面磁光克尔效应测量和非原位的磁性和输运测量手段系统研究分子束外延生长的磁性掺杂的Bi2Se3族拓扑绝缘体薄膜的电子结构、磁有序、输运性质，并实现通过化学势、薄膜厚度、掺杂浓度等参数的改变对其进行调控。我们希望通过此项研究获得拓扑绝缘体表面态与磁有序相互作用的规律，实现拓扑绝缘体所特有的各种量子效应。

在拓扑绝缘体中引入铁磁性会引起量子反常霍尔效应等很多新奇的拓扑量子现象。铁磁性可以通过在拓扑绝缘体中掺入磁性杂质实现。在本项目中，我们通过分子束外延方法制备出了多种磁性掺杂Bi2Se3族拓扑绝缘体薄膜，并对其电子结构和电、磁学性质进行了系统研究。所取得的主要成果如下：. （1）在Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体薄膜中实现了长程铁磁性并在此材料中在国际上首次观测到了量子反常霍尔效应。. （2）在Cr掺杂Bi2(SexTe1-x)3拓扑绝缘体薄膜中发现了拓扑诱导的磁量子相变，并揭示出Cr掺杂Bi2Se3长程铁磁序缺失的原因。. （3）通过对Cr掺杂Bi2Se3族拓扑绝缘体薄膜磁电阻行为的系统研究，对磁性掺杂拓扑绝缘体的磁输运机制获得了深入理解。. （4）在Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体薄膜中首次到量子反常霍尔效应的零霍尔电导平台。. （5）通过制备拓扑绝缘体之间的范德瓦尔斯异质结实现了对拓扑绝缘体表面能带结构的调控。. （6）实现了拓扑绝缘体和磁性拓扑绝缘体的双栅极调控。. 上述结果使我们解决了磁性掺杂拓扑绝缘体方向一些关键的科学问题，大大推动了此方向的研究进展。尤其是量子反常霍尔效应的首次实现取得了凝聚态物理领域一次重大的实验突破。这为拓扑绝缘体和拓扑量子效应的进一步研究和应用打下了坚实的基础。