[論文レビュー] Electronic transport in the topological insulator regime: approaching the Dirac point in Bi2Se3

Dohun Kim, Sungjae Cho+5 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2011

Topological Materials and Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、電圧ゲートを用いた静電的ドーピングにより、薄い低ドーピングBi2Se3膜のトポロジカル表面状態における双極性電子輸送を実証した。これにより、バルクキャリアの完全な抑制と、ディラック点を通過する両表面の同時調整が達成された。主な結果として、線形Hall抵抗率と明確なフィールド効果モード変調が観測され、最小導電度と残留キャリア密度は、ディラックバンドにおける電荷不純物の理論によって説明された。

ABSTRACT

The newly-discovered three-dimensional strong topological insulators (STIs) exhibit topologically-protected Dirac surface states. While the STI surface state has been studied spectroscopically by e.g. photoemission and scanned probes, transport experiments have failed to demonstrate the most fundamental signature of the STI: ambipolar metallic electronic transport in the topological surface of an insulating bulk. Here we show that the surfaces of thin (<10 nm), low-doped Bi2Se3 (\approx10^17/cm3) crystals are strongly electrostatically coupled, and a gate electrode can completely remove bulk charge carriers and bring both surfaces through the Dirac point simultaneously. We observe clear surface band conduction with linear Hall resistivity and well-defined ambipolar field effect, as well as a charge-inhomogeneous minimum conductivity region. A theory of charge disorder in a Dirac band explains well both the magnitude and the variation with disorder strength of the minimum conductivity (2 to 5 e^2/h per surface) and the residual (puddle) carrier density (0.4 x 10^12 cm^-2 to 4 x 10^12 cm^-2). From the measured carrier mobilities 320 cm^2/Vs to 1,500 cm^2/Vs, the charged impurity densities 0.5 x 10^13 cm^-2 to 2.3 x 10^13 cm^-2 are inferred. They are of a similar magnitude to the measured doping levels at zero gate voltage (1 x 10^13 cm^-2 to 3 x 10^13 cm^-2), identifying dopants as the charged impurities.

研究の動機と目的

• 強トポロジカル絶縁体の特徴である、Bi2Se3のトポロジカル表面状態における双極性金属的輸送を実験的に示すこと。
• 両表面を同時に静電的に分離・チューニングすることで、輸送測定におけるバルクキャリア干渉の課題を克服すること。
• 不純物と不規則性が表面状態輸送特性を制限する役割を定量化すること。
• 測定された移動度、残留キャリア密度、不純物濃度の関係をディラックバンド領域で特定すること。

提案手法

• 両表面状態を同時に静電的に制御できる二重ゲート構造を有する薄い低ドーピングBi2Se3結晶（<10 nm）を用いる。
• ゲート電圧を印加してフェルミ準位をディラック点を通過するようにチューニングし、バルクキャリアを除去するとともに表面輸送を測定する。
• Hall抵抗率とフィールド効果特性の測定により、双極性輸送行動の確認を行う。
• 電荷不規則性を含むディラックバンド理論モデルを用いて、最小導電度と残留キャリア密度を分析する。
• スクリーニングされたクーロン散乱理論を用いて、測定されたキャリア移動度から不純物イオン密度を抽出する。
• 推定された不純物密度とゼロゲート電圧時の測定ドーピングレベルを比較し、不純物が主な不規則性源であることを特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電圧ゲートを用いた静電的ドーピング条件下で、Bi2Se3のトポロジカル表面状態に双極性輸送が実験的に観測可能か？
• RQ2 二重ゲート静電的チューニングを用いることで、薄いBi2Se3膜におけるバルクキャリアはどの程度抑制可能か？
• RQ3 ディラックバンド内の電荷不規則性が、トポロジカル表面状態の最小導電度と残留キャリア密度に与える影響は何か？
• RQ4 測定されたキャリア移動度と表面状態内での不純物イオン濃度の関係は何か？
• RQ5 観測されたドーピングレベルは、輸送不規則性の原因である不純物イオンと整合的か？

主な発見

• 線形Hall抵抗率が明確に観測され、トポロジカル的に保護されたディラック表面状態の存在が確認された。
• 最小導電度は1表面あたり2～5 e²/hの範囲で測定され、不規則性を含むディラックバンド理論の予測と整合的であった。
• プールド状態における残留キャリア密度は、不規則性の強度に応じて0.4 × 10¹² cm⁻² から 4 × 10¹² cm⁻² の範囲に変動した。
• 測定されたキャリア移動度は320 cm²/Vs から 1,500 cm²/Vs の範囲であり、不純物イオン密度は0.5 × 10¹³ cm⁻² から 2.3 × 10¹³ cm⁻² に対応した。
• 推定された不純物イオン密度は、測定されたドーピングレベル（1 × 10¹³ cm⁻² から 3 × 10¹³ cm⁻²）と一致し、不純物が主な不規則性源であることが確認された。
• 両表面間の静電的結合により、ディラック点を通過する両表面の同時チューニングが可能となり、表面輸送のクリアな観察が実現した。