by FLEET
在双掺杂(钐/铁)硒化铋中，钐和铁都带有很大的磁矩(用红色表示)，在与铁配位的硒原子(绿色)上出现较弱的感应矩
学分:物理复习B 卧龙岗大学领导的团队跨越三个FLEET节点，将两种传统的半导体掺杂方法结合起来，在拓扑绝缘体硒化铋(Bi2Se3)中实现了新的效率
使用了两种掺杂元素:钐和铁
所得的硒化铋晶体显示出清晰的铁磁有序、大的体带隙、高的电子迁移率和表面态间隙的打开，使得该系统成为在可行的、可持续的未来低能电子所必需的更高温度下实现QAHE的良好候选
项目负责人王晓林教授表示:“拓扑系统中电子和磁性的结合是新型拓扑器件的基石，也是FLEET的核心项目之一。”
“我们提出并成功实现了一种新方法，通过添加两种不同的磁性离子来磁化一种新型电子材料——拓扑绝缘体
" 用于磁化拓扑绝缘体的各种不同磁性元件各有其优点和缺点
然而，尽管在以前的研究中，只使用了一种元素，UOW-Monash-RMIT团队发现，两种元素的组合也结合了各自的优势
该研究的主要作者Dr
赵
一剂是不够的:过渡金属掺杂的局限性 拓扑绝缘体(TIs)是一种新兴材料，具有独特的能带结构，可以研究固体中的量子效应，也是未来高性能量子器件的有前途的组成部分
量子反常霍尔效应(QAHE)中有两个关键因素“驱动”拓扑绝缘体和所有相关电子技术的理想特性: 这些是(a)铁磁性，和(b)拓扑电子绝缘性质
FLEET合作研究结合了UOW、Monash和RMIT的专业知识，开创了一种“双元素”掺杂策略，将磁性引入拓扑绝缘体，从而同时改善两种关键元素
结合两种不同掺杂元素铁和钐的优点，导致大的晶体生长，具有大的表面带隙和巨大的量子输运效应
先前在拓扑绝缘体中实现量子反常霍尔效应(QAHE)的方法采用掺杂单一过渡金属，例如铁(Fe)，以产生铁磁性
ALS伯克利分校的角分辨光电子能谱显示了光子-能量相关性(左)和能量分布曲线(右)
学分:物理复习B 过渡金属掺杂技术已经成功地产生了期望的磁有序
然而，这种方法有一个明显的缺点:晶格内过渡金属危及拓扑绝缘体的所需高迁移率，在低能电子器件的情况下，这完全违背了使用拓扑绝缘体的目的
因此，仅在极低的温度下通过过渡金属掺杂策略实现了QAHE，这将需要高能量的冷却
同样，这降低了这种材料在未来低能量电子产品中的可行性
为了提高QAHE的工作温度，需要更强的磁相互作用和更高的迁移率
双重掺杂实现了qahe的两个关键的、期望的元素 在考虑了使用铁(Fe)等过渡金属进行掺杂的成功元素后，研究团队决定进一步将更强的磁体——稀土元素钐(Sm)引入众所周知的拓扑绝缘体硒化铋(Bi2Se3)中
掺杂元素铁和钐在晶体中产生了必要的铁磁有序，这可以在表面态的狄拉克锥上打开一个巨大的间隙
这是实现质量保证和健康的一个基本要素
此外，研究小组证实，在双磁性掺杂晶体中，电子迁移率仍然很高，证实了超强量子振荡效应和台阶状霍尔效应的存在
拓扑绝缘体如硒化铋的迁移率比经典半导体如硅的迁移率快几倍
这样的晶体理想化了QAHE的两个重要元素
所得晶体显示出清晰的铁磁有序、大的(44 meV)带隙和高迁移率(∨7400 cm2/Vs，在3 K下)以及横向电阻率的霍尔阶跃，证实了QAHE的存在
相应的作者Dr
马克·埃德蒙兹(莫纳什)
“这可能是弥补磁性元素短缺的新方法
" “双掺杂策略也被证明在低能电子器件中利用拓扑绝缘体是积极的
" 相应的作者王晓林教授补充道:“密度泛函理论计算表明，双重掺杂导致系统中的半金属性、全自旋极化电子。”
“这为自旋电子学的潜在应用铺平了另一条道路，也为拓扑物质家族的多样性做出了贡献
"
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