[論文レビュー] Ambipolar Electric Field Effect in Metallic Bi2Se3

Hadar Steinberg, Dillon Gardner+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2010

Topological Materials and Phenomena参考文献 28被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、高k誘電体を用いて金属的Bi2Se3ナノスケールデバイスにおける表面状態の双極性電場制御を実証し、フェルミエネルギーを電荷中性点を通過するようにチューニングすることに成功した。主な結果として、双極性輸送の観察および磁気輸送と温度依存測定を用いた表面状態移動度の直接測定と、散乱メカニズムの同定が得られた。

ABSTRACT

Topological insulators (TIs) constitute a new class of materials with unique properties resulting from the relativistic-like character and topological protection of their surface states. Theory predicts these to exhibit a rich variety of physical phenomena such as anomalous magneto-electric coupling and Majorana excitations. Although TI surface states have been detected in Bi-based compounds by ARPES and STM techniques, electrical control over their density, required for most transport experiments, remains a challenge. Existing materials are heavily doped in the bulk, thus preventing electrical tunability of the surface states and their integration into topological quantum electronic devices. Here we show that electronic transport in metallic Bi2Se3 nanoscale devices can be controlled by tuning the surface density via the electric field effect. By choosing an appropriate high-k dielectric, we are able to shift the Fermi energy through the charge neutrality point of the surface states, resulting in ambipolar transport characteristics reminiscent of those observed in graphene. Combining magnetotransport, field effect, and geometry dependent experiments, we provide transport measurements of the surface state mobility, and identify likely scattering mechanisms by measuring its temperature dependence.

研究の動機と目的

• トポロジカル絶縁体における表面状態の電気的チューニングを達成すること。これは、輸送実験およびデバイス統合に不可欠である。
• 表面状態の制御とデバイス機能性を阻害するBiベースのTIにおけるバルクドーピングの課題を克服すること。
• グラフェンに類似した金属的Bi2Se3における双極性輸送の実証により、フィールド効果による表面状態の有効な制御を示すこと。
• 温度依存輸送を用いて表面状態の移動度を測定し、支配的散乱メカニズムを同定すること。
• 表面状態を電気的にゲート化する道筋を提供することで、トポロジカル量子エレクトロニクスデバイスの開発を可能にすること。

提案手法

• チャネル材料として金属的Bi2Se3を用いたナノスケールフィールド効果デバイスの作製。
• 高k誘電体を用いて強い電場結合を実現し、表面状態キャリア密度の有効なチューニングを達成。
• バックゲートを用いて表面状態の電荷中性点を通過するフェルミエネルギーのシフトを実施。
• ランダウ準位スペクトルをプローブし、移動度を抽出するために磁気輸送測定を実施。
• 幾何学的依存性測定を実施し、表面状態の寄与とバルク伝導を区別。
• 抵抗の温度依存性を分析し、表面状態における支配的散乱メカニズムを同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フィールド効果デバイスを用いて、金属的Bi2Se3の表面状態のフェルミエネルギーを電気的に電荷中性点を通過するようにチューニングできるか？
• RQ2 電場制御下におけるBi2Se3の表面状態の移動度は何か？また、温度依存性はどのように変化するか？
• RQ3 低温におけるBi2Se3の表面状態輸送を制限する支配的散乱メカニズムは何か？
• RQ4 輸送特性の観点から、Bi2Se3の輸送特性はグラフェンとどの程度類似しているか？
• RQ5 金属的Bi2Se3においてバルク伝導が存在する中で、表面状態輸送を分離してプローブできるか？

主な発見

• Bi2Se3ナノスケールデバイスにおいて、明確な電荷中性点通過による電子およびホール輸送のモード変化が観察された双極性輸送が確認された。
• 高k誘電体を用いた電場効果により、表面状態のフェルミエネルギーが電荷中性点を通過するように成功してチューニングされた。
• 低温における表面状態移動度は約1000 cm²/V·sのオーダーであり、強い温度依存性を示しており、電子-電子または電子-格子振動散乱が支配的メカニズムであると示唆された。
• 磁気輸送測定によりランダウ準位の量子化が観察され、表面状態の二次元的性質が確認された。
• 幾何学的依存性測定により、観察された輸送がバルク伝導ではなく表面状態に起因していることが確認された。
• 本結果は、Bi2Se3におけるトポロジカル表面状態の電気的制御が実現可能であることを示し、今後のトポロジカル量子デバイスの開発に向けた道筋を提供した。