鱼与两得:双重剂量诱导磁性，同时加强拓扑绝缘体中的电子量子振荡| ARC未来低能电子技术卓越中心

第一作者，FLEET研究员赵伟尧博士(UOW)

卧龙贡大学领导的横跨三个FLEET节点的团队结合了两种传统的半导体掺杂方法，在拓扑绝缘体硒化铋(Bi)中实现了新的效率₂Se_3.)，

使用了两种掺杂元素:钐(Sm)和铁(Fe)。

由此产生的硒化铋晶体显示出清晰的铁磁有序、大体积带隙、高电子迁移率和表面态间隙的开放，使该体系成为在可行的、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。

“拓扑系统中电子和磁性的结合是新型拓扑器件的关键，也是FLEET的核心项目之一，”项目负责人王晓林教授(UOW)说。“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离子来磁化一种新型电子材料——拓扑绝缘体。”

用于拓扑绝缘子磁化的各种不同磁性元件的每一种都有其优缺点。然而，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每种元素的优点。

该研究的主要作者赵伟尧博士说:“因此，双重掺杂策略被证明是生长具有磁性和优异电子迁移率的超高质量拓扑绝缘体的可行的，这对低能电子设备至关重要。”

通讯作者FLEET首席研究员王晓林教授(UOW)

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重要组成部分。

量子反常霍尔效应(QAHE)中有两个关键元素“驱动”拓扑绝缘体和所有相关电子技术的理想特性:

它们是(a)铁磁性，和(b)拓扑电子绝缘性能。

FLEET合作研究结合了UOW、莫纳什大学和RMIT的专业知识，开创了一种“双元素”掺杂策略，在拓扑绝缘体中引入磁性，从而同时改善了两个关键元素。

结合铁和钐两种不同掺杂元素的优点，可以得到较大的晶体生长，具有较大的表面带隙，以及巨大的量子输运效应。

以前在拓扑绝缘体中实现量子反常霍尔效应(QAHE)的方法是通过掺杂单一过渡金属(如铁)来产生铁磁性。

过渡金属掺杂技术已经成功地创造了所需的磁有序。然而，这种方法有一个显著的缺点:晶格内过渡金属危及拓扑绝缘体所需的高迁移率，这在低能电子产品的情况下，完全违背了使用拓扑绝缘体的目的!

因此，QAHE只能通过过渡金属掺杂策略在极低温下实现，这将需要能源密集型冷却。这再次降低了这种材料在未来低能耗电子产品中的可行性。

为了提高qhe的工作温度，需要更强的磁相互作用和更高的迁移率。

在双掺杂(Sm/Fe)硒化铋中，Sm和Fe都带有较大的磁矩(红色所示)，与Fe配位的硒原子(绿色)上出现较弱的感应矩。**

在考虑到使用过渡金属铁(Fe)等成功掺杂的元素后，研究团队决定进一步将更强的磁铁，稀土元素钐(Sm)引入到著名的拓扑绝缘体铋硒化物(Bi)中₂Se_3.）.

掺杂元素铁和钐在晶体中创造了必要的铁磁顺序，这可以在表面态的狄拉克锥上打开一个巨大的缺口。这是实现QAHE的基本要素。

此外，该团队证明，在双磁掺杂晶体中，电子迁移率仍然非常高，证实了超强量子振荡效应和阶跃霍尔效应的存在。

拓扑绝缘体(如硒化铋)的迁移速度比经典半导体(如硅)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(~ 44 meV)带隙和高迁移率(~ 7400 cm)²/Vs在3 K)和横向电阻率Hall阶跃，证实了QAHE的存在。

“钐和铁双掺杂铋₂Se_3.“晶体将是在更高温度下实现QAHE的理想体系，”通讯作者Mark Edmonds博士(莫纳什大学)说。这可能是一种弥补磁性元素短缺的新方法。”

“双掺杂策略也被证明是积极的，以利用拓扑绝缘体在低能电子设备。”

DFT计算表明，双掺杂会导致ahalf-metallicity,在系统中完全自旋极化电子，”通讯作者王晓林教授补充道。“这为自旋电子学的潜在应用铺平了另一条道路，也有助于拓扑物质家族的多样性。”

ALS Berkeley的角度分辨光电子能谱(ARPES)显示了光子-能量依赖(左)和能量分布曲线(右)**

这个合作项目由王晓林教授(卧龙岗)、马克·埃德蒙兹博士(莫纳什)和王兰教授(皇家墨尔本理工大学)领导。王教授是FLEET的使能技术A(新材料和二维材料)的主题领导者，也是该项目的主任超导和电子材料研究所(ISEM)在卧龙岗大学。

以及由澳大利亚研究理事会(卓越中心，未来奖学金和发现项目)，研究受益于澳大利亚的资源国家计算基础设施(NCI)。ARPES测量在高级光源(ALS)在劳伦斯伯克利国家实验室，美国，由澳大利亚同步加速器的支持国际同步加速器接入计划．

鱼和鱼兼得:双重剂量诱导磁性，同时加强拓扑绝缘体中的电子量子振荡