拓扑奇异磁性半导体纳米结构的掺杂调控与自旋输运

拓扑奇异半导体的电子结构具有反常拓扑数，从而在与真空或其它拓扑平庸能隙态的界面形成受时间反演对称所保护的导电表面态。这一表面态具有完美的自旋螺旋性，且载流子与杂质的背散射被禁戒，所以在低耗散的自旋电子学器件中具有潜在的应用。而拓扑奇异磁性半导体正是可望引入极化自旋并实现自旋低耗散输运的载体材料。本项目中，我们试图利用拓扑奇异表面态媒介来构建新型磁性半导体，计划以过渡金属掺杂的拓扑奇异磁性半导体作为研究对象，主要采用湿化学方法和Bridgman晶体生长方法实现其纳米结构的制备和掺杂调控，并集中开展狄拉克费米子输运及电子自旋耦合行为等方面的实验研究，以期揭示若干量子行为的物理本质。本项目不仅对目前在稀磁半导体研究过程中所遭遇的困难提供新的思路，也为探索和揭示拓扑奇异半导体中的磁性掺杂对拓扑表面态作用的规律具有重要的科学意义，在应用上还可以为最终实现低耗散的新型自旋电子学器件提供重要的科学依据。

我们在本项目所支持的拓扑奇异磁性半导体（即磁性掺杂的拓扑绝缘体）及相关领域开展了系统工作，完成了预定的研究任务，取得了若干有创新性的研究成果。四年来发表论文18篇，包括Nat. Comm.、Adv. Mater.、Nano Lett.、PRB、Sci. Rep.、JPCC、Opt. Exp.各一篇和APL三篇；并参与出版专著《量子物理》一部。主要实现了高质量磁性拓扑绝缘体的合成，所获得的Sm掺杂Bi2Se3拓扑绝缘体单晶体具有极高的迁移率，实验与理论研究均确认Sm离子贡献了样品的铁磁性，且居里温度不随载流子浓度的变化而变化。在若干本征及磁性掺杂的拓扑绝缘体中（如二元Bi2Se3和Bi2Te3、三元Bi2Te2Se、四元BiSbTeSe2、Fe掺杂Bi2Se3、Cu掺杂Bi2Te3、Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3），详细研究了它们的低温强磁场输运性质、霍尔效应及老化机制，获得了与拓扑表面态相关的SdH振荡、弱局域/弱反局域化、普适电导涨落、AB振荡、AAS振荡、上下表面金属态耦合等丰富的量子干涉行为，从而加深了人们对拓扑表面态及其自旋输运和调控的理解。另外也初步尝试了基于拓扑绝缘体横向异质结的电子器件的制备和基于拓扑绝缘体纳米带的自旋阀纳米器件的制备。该项目所获得的这些成果预示了拓扑绝缘体在低耗散新型自旋电子器件中的潜在应用。