基于类石墨烯二维材料异质结的高温量子反常霍尔效应

In 2013, quantum anomalous Hall effect (QAHE) was first realized in magnetic topological insulator (TI) films by Prof. Xue’s group. As QAHE is characterized with unique chiral edge states in the absence of external magnetic field, indicating which has great potential application for developing low-power-consumption electronic devices. However, the very harsh realizing temperature (about 30 mK) hinders its practical applications. Hence, finding high temperature QAHE materials in the experiment are much in demand. Here, we propose a realizable method to achieve QAHE, i.e., graphene-like materials are grown on two-dimensional (2D) ferromagnetic (FM) substrates by forming graphene-like heterostructures. As the magnetic atoms are highly ordered, it indicates the Curie temperature (TC) of graphene-like heterostructures is much higher than that of Cr- or V-doped (Bi,Sb)2Te3 films. The electronic, magnetic and topological properties of graphene-like heterostructures are investigated based on ab initio calculation. Recently, 2D FM materials (such as, layered Cr2Ge2Te6, CrI3, VSe2) have been synthesized in the experiment. All the experimental results suggest high temperature QAHE can be realized in graphene-like heterostructures.

2013年，薛其坤院士领衔的科研团队通过磁性元素掺杂拓扑绝缘体薄膜，首次在实验中观测到了量子反常霍尔效应。不同于量子霍尔效应的是，量子反常霍尔效应不需要外加磁场，样品的边界就会出现手性的、无能耗的电子流。这意味着量子反常霍尔效应在低能耗电子器件方面有着巨大的应用前景。然而，实验中观测量子反常霍尔效应的温度极低（约30mK），这极大限制了其实际应用。因此，如何提高量子反常霍尔效应的观测温度是科研人员目前亟待解决的问题。此项目提出将类石墨烯二维材料生长在铁磁性衬底（例如近期实验已制备的Cr2Ge2Te6、CrI3和VSe2）上形成异质结来实现量子反常霍尔效应。由于铁磁性衬底中磁性元素的高度有序性，使得其居里温度远高于磁性元素掺杂拓扑绝缘体薄膜的居里温度。申请人利用第一性原理方法研究类石墨烯二维材料异质结的电学、磁学以及拓扑性质。该项目拟为实验实现高温量子反常霍尔效应提供理论依据。

2013年，薛其坤院士领衔的科研团队通过磁性元素掺杂拓扑绝缘体薄膜，首次在实验中观测到了量子反常霍尔效应。不同于量子霍尔效应的是，量子反常霍尔效应不需要外加磁场，样品的边界就会出现手性的、无能耗的电子流。这意味着量子反常霍尔效应在低能耗电子器件方面有着巨大的应用前景。然而，实验中观测量子反常霍尔效应的温度极低（约30mK），这极大限制了其实际应用。因此，如何提高量子反常霍尔效应的观测温度是科研人员目前亟待解决的问题。此项目提出将类石墨烯二维材料生长在铁磁性衬底（例如近期实验已制备的Cr2Ge2Te6、CrI3和VSe2）上形成异质结来实现量子反常霍尔效应。由于铁磁性衬底中磁性元素的高度有序性，使得其居里温度远高于磁性元素掺杂拓扑绝缘体薄膜的居里温度。申请人利用第一性原理方法研究类石墨烯二维材料异质结的电学、磁学以及拓扑性质。申请人发现：1.利用轨道过滤来实现铅烯高温量子自旋霍尔效应；2.预言了一类与MnBi2Te4层状磁性材料结构相同的材料MnSb2Te4、MnBi2Se4和MnSb2Se4；3.通过合适的表面修饰等可以将非拓扑的二维铁磁材料变成二维铁磁拓扑绝缘体；4.蜂窝状六角格子中由px,y和pz能带翻转引起的拓扑相变；5.二维铁磁范德华异质结中具有丰富的谷极化现象。该项目的实施为实验实现高温量子反常霍尔效应等量子效应提供理论依据。