基于 4f 稀土元素 Gd 掺杂的拓扑绝缘体 (Bi,Sb)2Te3 的磁学性质研究

Topological insulator (TI) is a new class of quantum electric material. It has stimulated extensive research interest due to its potential applications in spintronics and quantum computation. Theoretically, quantum anomalous Hall Effect (QAHE) can be realized by introducing magnetic dopants in TI because of the interaction between the induced intrinsic magnetism and the special surface electronic state. Experimentally, QAHE has been observed in 3d transition elements Cr and V doped (Bi,Sb)2Te3 MBE thin films. However, the QAHE state in these two systems only exists in ultra-low temperature. For future application, new magnetic topological insulator (MTI) with higher Tc, strong magnetic order and low disorder is prerequisite. In this project, we aim to find MTI in 4f rare earth element Gd doped (Bi,Sb)2Te3 pseudo-binary system. First, the mechanism of doping will be investigated through combining the defect, transport and magnetism study in Gd-doped (Bi,Sb)2Te3 single crystals. Further, magnetic properties of Gd and Cr codoped (Bi,Sb)2Te3 system will be studied. It is anticipated that the magnetic properties of (Gd,Cr)-(Bi,Sb)2Te3 can be greatly enhanced by the codoped stratagy, which can pave the way for QAHE study and related application in future.

拓扑绝缘体(TI)是近年来新兴的一类量子材料，特殊电子态的存在使其在未来的自旋电子学以及拓扑量子计算领等域具有巨大应用潜力。拓扑绝缘体中引入磁性掺杂后，磁性与表面态电子相互作用，将诱导出量子反常霍尔效应(QAHE)等新奇量子现象。目前，研究者通过3d过渡族金属元素掺杂，相继在Cr和V掺杂的(Bi,Sb)2Te3薄膜中观测到了QAHE。然而由于QAHE态存在的温度极低，未来的应用研究受到极大的制约。从应用的角度，需要寻找高居里温度、强磁性、低无序度的磁性拓扑绝缘体(MTI)材料，以实现更高温度下的QAHE。本项目拟对(Bi,Sb)2Te3单晶进行4f稀土元素Gd掺杂，在基于Gd-(Bi,Sb)2Te3的缺陷和磁性调控及掺杂机制研究的基础上，对Gd-Cr共掺(Bi,Sb)2Te3进行研究，以期在两种元素共同作用下实现性能优异的MTI，为QAHE的应用研究探索新的材料体系。

量子反常霍尔效应(QAHE)是凝聚态物理的前沿问题之一，它被认为是已知的拓扑量子效应中最有希望获得广泛实际应用的一个，阻碍其应用的主要障碍是实现温度极低。本项目提出Gd-Cr共掺的方案能够增强(Bi,Sb)2Te3体系的磁性能，有望提高QAHE的实现温度。通过对Gd掺杂、Gd-Cr共掺杂体系的电学和磁学性能探索，发现Gd-Cr共掺杂的体系Bi0.47Gd0.03Sb1.45Cr0.05Te3形成很好的铁磁性，相比单元素掺杂，共掺杂体系磁性有一定程度提高，然而Gd和Cr未形成有效耦合，两种元素对体系磁性的贡献相对独立。意外的是，研究发现一定浓度掺杂样品在低温下呈现类似超导的抗磁行为，在增加磁场的条件下超导逐渐被抑制。类似的探索在V-Gd共掺杂的体系中进行。同样地，在我们的制备条件下，V-Gd共掺杂没有达到耦合增强(Bi,Sb)2Te3磁性能的效果，超导相存在的迹象仍较为明显。.在(Bi,Sb)2Te3中，V-I，Cr-V共掺杂被理论或实验研究证明其对QAHE起到的显著增强作用，我们通过已有实验验证得出，3d和4f族共掺杂的(Bi,Sb)2Te3体系呈现更为复杂的磁性能，不具备协同增强磁性的效果。此外，由于体系的复杂性，样品的磁性能存在很大的不均匀性，磁性不均匀性对QAHE的研究来说是非常不利的，因此我们认为共掺杂的体系不是最优选择。尤其是近两年，本征磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4的出现，使得拓扑体系的稀磁掺杂不再具有竞争力。我们对MnBi2Te4的既有研究进行了系统综述，认为该体系以及类似的其他本征体系在QAHE以及其他量子现象的研究中将引起更多关注。.另一方面，在本项目研究过程中意外发现在磁性元素Cr和Gd掺杂的体系中超导和铁磁共存的现象，可能是Sb2Te3体系存在超导的一个验证。拓扑超导体的研究对寻找马约拉纳费米子至关重要。曾有报导表明，Sb2Te3具有表面超导特性，但是未见有更深入的研究被发表。我们的研究结果对拓扑绝缘体中超导现象的深入探索具有重要参考意义。