拓扑绝缘体在最近十多年引起了科学界的极大重视——这类新奇的量子材料是有可能实现无能耗电子器件的新一代材料体系。它们的能带结构有特殊的拓扑性质，这样的特殊性质使得其表面存在由时间反演对称性保护的导电电子态（Dirac型表面态），最经典的拓扑绝缘体莫过于A2B3型拓扑绝缘体（其中A为Bi或者Sb，B为Te或者Se）。通过磁性掺杂可以在拓扑绝缘体中引入磁性而破坏时间反演对称性，在其狄拉克点处打开能隙，有可能会诱导出许多奇异的物理现象，例如半量子化的霍尔电导、中性马约拉纳费米子、量子反常霍尔效应等等。稀土元素具有目前已知元素中最大的磁矩，且稀土原子的三价稳定态可以等价替换A2B3型拓扑绝缘体中的Bi/Sb原子，因此其被认为是研究磁性掺杂效应的理想掺杂元素。铈（Ce）的f电子构型比其它稀土元素体系简单，研究Ce掺杂拓扑绝缘体对深入理解和认识f电子和拓扑绝缘体相互作用具有重要意义。此前有研究人员进行了Ce掺杂拓扑绝缘体CexBi2-xTe3单晶块材的磁输运性质研究，并发现在掺杂浓度x = 0.06时出现一系列磁输运异常现象，但是对磁性和拓扑表面态的相互作用机理还不是很明确。

近日，中国工程物理研究院材料研究所朱燮刚研究团队和西南交通大学赵可课题组利用分子束外延在蓝宝石衬底上成功制备了不同Ce掺杂浓度的Bi2Te3薄膜样品，并研究了其电子输运性质。研究发现在低温下，薄膜呈现出金属行为，电阻率与温度呈线性相关；但是在更低温区间（2 ~ 20 K）出现电阻极小值。通过近藤公式拟合，证明了极低温下的电阻行为是与Ce掺杂相关的近藤效应和费米液体行为共同作用、相互竞争的结果。用HLN公式拟合了磁场下的弱反局域化行为，分析显示在掺杂浓度x < 0.02范围内，表面电导通道数保持为两条；随着Ce浓度的增加，通道数减少为1条，表明二维的输运通道被抑制，这也意味着Ce原子局域磁性与拓扑表面态存在强烈的竞争和相互作用关系。

图1.（a）(CexBi1-x)2Te3单晶薄膜的电阻率随温度的变化曲线（曲线被上下平移以便于数据可视化）,（b）3.5 K – 25 K温度区间内(CexBi1-x)2Te3薄膜的归一化电阻率（实线表示拟合曲线），（c）T = 4 K下(CexBi1-x)2Te3薄膜的磁阻率，（d）4 K – 14 K温度区间内(Ce0.04Bi0.96)2Te3薄膜的磁阻率。

图2.（a）4 K温度下(CexBi1-x)2Te3单晶薄膜的磁电导（实线表示HLN拟合曲线）,（b）4 K – 14 K温度区间内(Ce0.04Bi0.96)2Te3薄膜的磁电导,（c）拟合参数α和相位相干长度 lφ 随浓度的变化曲线，（d）Bi2Te3薄膜和(Ce0.04Bi0.96)2Te3薄膜的拟合参数α和相位相干长度 lφ 随温度的变化曲线。

Electrical transport properties of cerium doped Bi2Te3?thin films grown by molecular beam epitaxy

Peng Teng, Tong Zhou, Yonghuan Wang, Ke Zhao, Xiegang Zhu, Xinchun Lai

J. Semicond. 2021, 42(12): 122902

doi:?10.1088/1674-4926/42/12/122902

Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/42/12/122902?pageType=en

来源：第12期半导体学报中文导读