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【成果展】Quantum transport properties in single crystals of α-Bi 4 I 4

发布日期: 2019-01-09

  

      拓扑绝缘体是一类新的量子材料,其特征为存在一个绝缘的体态和无能隙的表面态。其中,金属表面态受时间反演对称性保护,它在自旋电子学和量子计算等方面都具有潜在的应用。拓扑绝缘体的潜在应用与拓扑表面态输运性质的存在密切关联。目前,对拓扑表面态输运的研究极大程度地依赖于二维输运特征的观测,例如二维德哈斯(SdH)振荡和二维弱反局域效应。然而,一些拓扑平庸的二维电子系统同样拥有这些性质,这可能会干扰拓扑表面态的识别。此外,大部分现存的三维拓扑绝缘体的体态并不是完美的绝缘体,因此体传导可能会干扰表面传输,这也可能会影响拓扑表面态的判断。因此,探索输运行为与拓扑绝缘体类似的其他材料,对鉴别拓扑绝缘体中拓扑表面态输运具有借鉴作用。

  最近,理论预测Bi4X4 (X = Br, I)体系是一个全新的拓扑绝缘体家族。其中,β-Bi4X4被认为是三维拓扑绝缘体,单层的Bi4Br4是一种量子自旋霍尔绝缘体。另一方面,尽管块体的α-Bi4Br4被预言是一种高阶拓扑绝缘体,块体的α-Bi4I4却是一种平庸绝缘体。α相和β相的Bi4X4都已经被实验证实或理论预言具有准一维的晶体结构,只是一维无限长链的堆垛方式不同。角分辨光电子谱研究发现β-Bi4I4的表面布里渊区M点处具有高度各向异性的能带交叉特性,并证明了它是强拓扑绝缘体。另一方面,α-Bi4I4具有与β-Bi4I4相似的晶体结构,但其物理性质除了早期的晶体生长和热稳定性测试之外鲜有研究。

  本工作中,我们报道了α-Bi4I4单晶样品的生长和磁输运性质研究。我们发现,我们得到的大部分样品具有空穴型载流子为主导的电输运性质(p型),少部分样品的电输运性质由电子型载流子主导(n型)。这是由不同的费米能位置引起的。我们在所有的样品中都观察到了低磁场处的弱反局域效应以及高磁场处的SdH振荡。在样品A1中,我们还在磁场平行于电流方向时观察到了明显的负磁电阻成分。对于n型样品,其SdH振荡和弱反局域效应都是二维的,而p型样品的SdH振荡是三维的。第一性原理计算揭示了n型样品具有二维的费米面,而p型样品具有三维的费米面,并给出了与输运实验一致的载流子浓度。因此我们认为,两种样品不同的输运性质都是来自于其体态电子。另外,根据第一性原理计算,我们在β-Bi4I4中也发现了类似于α-Bi4I4的体态电子结构,包括在导带底附近存在准二维费米面。这表明在将来的拓扑绝缘体β-Bi4I4输运实验中,如果观测到可能的拓扑表面态输运迹象需要谨慎甄别。本文的工作表明,α-Bi4I4可以作为研究以上新奇、有趣的输运现象的重要材料平台;我们的工作也可能给将来研究β-Bi4I4可能出现的拓扑表面输运特性提供重要参考。

  本工作受到国家重点研发项目(No. 2016YFA0300604)、国家自然科学基金(No. 11734003,)的支持。北京理工大学微纳实验中心的蔡司电镜(型号:Germany, Zeiss SUPRA TM 55 SAPPHIRE)提供了样品形貌、成分分析等实验帮助。