新型过渡金属掺杂辉碲铋矿材料的单晶生长和物性研究

Transition metal doped tetradymite (TMDT) can be used to achieve the quantum anomalous Hall effect (QAHE) and other novel physical effects, which has great research value in the fields of basic science and information technology. Intensive research of TMDT and understading its magnetic mechanism have profound significance for controlling QAHE and enhancing its operating temperature. Based on the research status of TMDT’s magnetic mechanism, in this project we plan to dope transition metals in tetradymite materials (Bi,Sb)2Te2Se and (Bi,Sb)2Te2S and grow the single crystals. Changing the density of doping, we plan to study the effect of transition metals on the physics properties of these two systems. Changing the Bi/Sb stoichiometry of the samples, we plan to investigate the correlation between magnetism and itinerant carrier density and type. Through studying the doped samples with different mono-chalcogen anion layers in the parent material, we plan to study the effect of the mono-chalcogen anion layer on the magnetism. Through these research, we hope to provide clues for understanding the magnetism origin of TMDT and lay material foundation for further research of QAHE and other novel quantum effects.

过渡金属掺杂的辉碲铋矿材料可以实现量子反常霍尔效应等多种新奇物理效应，在基础科学和信息技术领域都具有重要研究价值。深入研究过渡金属掺杂的辉碲铋矿材料，理解这一体系的磁性机制，对调控量子反常霍尔效应以及提高其工作温度具有深远的意义。基于对该体系磁性机制研究现状的分析，本项目拟对辉碲铋矿材料(Bi,Sb)2Te2Se和(Bi,Sb)2Te2S进行不同过渡金属元素掺杂，生长单晶样品；改变过渡金属掺杂浓度，研究过渡金属对体系物理性质的影响；调节体系Bi/Sb计量比，研究体系磁性与巡游载流子的浓度和类型的关联；对比基于不同母体材料掺杂样品的性质，研究硫族单阴离子层对体系磁性的影响。通过以上研究，为理解过渡金属掺杂的辉碲铋矿材料的磁性起源提供线索，并为深入研究量子反常霍尔效应等新奇量子效应提供材料基础。

过渡金属掺杂的辉碲铋矿材料可以实现量子反常霍尔效应等多种新奇物理效应。探索新的铁磁过渡金属掺杂的辉碲铋矿材料，研究其磁性随掺杂和化学计量的变化规律对于理解这一体系的磁性机制、调控量子反常霍尔效应以及提高其工作温度具有深远的意义。本项目拟对辉碲铋矿材料及其衍生材料进行不同过渡金属元素掺杂，生长单晶样品，探索新型铁磁性成员，研究掺杂浓度和化学计量比对该体系物理性质的影响。. 本项目的重要结果有四项。第一，发现掺入少量的Cr元素可以诱导辉碲铋矿衍生物Sb4Te3单晶的成相和生长，并在高浓度掺杂样品中发现了铁磁性。这为生长块体单晶样品提供了一种新思路，也为在这类材料中展开深入实验研究提供了材料基础。第二，发现了一种新型的准一维亚铁磁半导体Eu3Sb4Se9，并基于其单晶样品发现了其奇异的磁性。这种新型的准一维磁性半导体材料有望在自旋电子学器件中有所应用。第三，成功生长出了层状材料SnTaS2的单晶样品，并对其电输运性质和电子结构展开系统研究，发现它是一种新型的拓扑超导体候选材料。这一发现为进一步在拓扑超导材料中发现马约拉纳费米子提供了一个新的研究平台，这是实现拓扑量子计算的关键。第四，成功生长出了层状材料BaCdSb2的单晶样品，并对其电输运性质和电子结构展开系统研究，发现它是一种新型的理想的二维狄拉克材料，为进一步研究狄拉克材料的量子输运性质提供了一种十分理想的研究对象。