[論文レビュー] Magneto-transport Effects in Topological Insulator Bi$_2$Se$_3$ Nanoribbons

Hao Tang, Liang Dong+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2010

Topological Materials and Phenomena参考文献 8被引用数 3

ひとこと要約

本研究はBi₂Se₃ナノリブの磁気輸送特性を調査し、室温まで垂直磁場下で、温度に依存しない強固な線形磁気抵抗（MR）が観測された。これは、線形分散を示すトポロジカルな表面状態に起因する量子線形MRである。境界散乱による面外フェルミ運動量の抑制が観察され、輸送特性において表面状態の寄与がバルク寄与を上回ることが裏付けられた。

ABSTRACT

Magneto-resistance (MR) of Bi$_2$Se$_3$ nanoribbons is studied over a broad range of temperature ($T$=300K-2K) and under various magnetic field ($B$) orientations. The MR is strongly anisotropic with the perpendicular MR much larger than the longitudinal and transverse MRs. The perpendicular MR exhibits quadratic $B$-dependence in low fields and becomes linear at high $B$. However, when $T$ increases, the perpendicular MR becomes linear over the whole magnetic field range (0-9T) up to room temperature. This unusual linear MR is discussed in the context of the linear quantum MR of the topological surface-states. We also observe the boundary-scattering effect in MR at low temperatures, which indicates that the out-of-plane Fermi momentum is much smaller the in-plane Fermi momentum, excluding the simple three-dimensional Fermi surface picture.

研究の動機と目的

• 磁場方向を変化させた場合のBi₂Se₃ナノリブにおける異方性磁気輸送応答を調査すること。
• 高温での観測された線形磁気抵抗（MR）の起源を、温度および磁場強度の変化とともに特定すること。
• 低磁場における境界散乱効果を分析することでフェルミ面のトポロジーを解明すること。
• 輸送特性におけるトポロジカルな表面状態とバルク電子状態の寄与を区別すること。
• 高品質で単結晶のBi₂Se₃ナノリブにおいて、量子線形MR（QLMR）理論の妥当性を評価すること。

提案手法

• 金触媒を用いた蒸気-液体-固体成長法により、純粋で化学计量比に近いBi₂Se₃ナノリブを合成し、X線回折およびTEM分析で確認した。
• Si/SiO₂基板上にPd/Ti電極を電子ビーム蒸着およびリフトオフ法で形成し、オミクス接触を実現した四端子デバイスを作製した。
• 2Kから300Kの温度範囲で、最大9Tの磁場下においてQuantum Design PPMSを用いて低周波数ロックイン四端子輸送測定を実施した。
• 垂直（B⊥）、長軸方向（B∥電流）、および横方向（B∥表面、⊥電流）の3方向の磁場配置における磁気抵抗（MR）を測定した。
• 境界散乱の臨界磁場Bcからフェルミ運動量kFを算出するため、r_c = ℏkF/eBc = d/2の式を用い、dは関連する試料寸法とした。
• MRの磁場および温度依存性を分析し、古典的MRメカニズムと線形分散に起因する量子線形MR（QLMR）を区別した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 室温まで達する垂直磁場下で観測された線形磁気抵抗は、どのようなメカニズムに起因するのか、特に垂直磁場配置下での原因は何か？
• RQ2 垂直、長軸方向、横方向の磁場配置における磁気抵抗の異方性は、フェルミ面のトポロジーをどのように反映しているか？
• RQ3 低磁場における境界散乱効果は、ナノリブ内のフェルミ運動量の異方性をどの程度明らかにしているか？
• RQ4 観測された線形MRは、ディラック電子に起因する量子線形MR（QLMR）によって説明可能か、それとも古典的不均一性効果に起因するのか？
• RQ5 トポロジカルな表面状態が輸送応答において支配的であるという証拠は何か？

主な発見

• 垂直磁場下の磁気抵抗は、9Tまで線形B依存性を示し、90K以上の温度で全磁場範囲にわたり線形性が維持され、室温まで継続する。
• 低温（T < 90K）では、低磁場（<3T）では二次的B依存性を示し、高磁場では線形挙動に移行するため、古典的領域から量子領域への遷移が示唆される。
• 低磁場（B < 1T）において境界散乱効果が明確に観察され、臨界磁場Bc ≈ 0.5T（垂直）およびBc ≈ 0.75T（横方向）が得られ、フェルミ運動量の顕著な異方性が示された。
• 境界散乱から算出されたフェルミ運動量の推定値は、kF ≈ 3.6 × 10⁸ m⁻¹（垂直）およびkF ≈ 1.0 × 10⁸ m⁻¹（面内）であり、面外kFが面内kFに比べて著しく小さいことが示された。
• 観測されたkFの異方性は、バルクBi₂Se₃の3次元フェルミ面モデルとは矛盾するが、輸送を支配する準2次元表面状態と整合的である。
• 強固で温度に依存しない線形MRは、線形分散を示すディラック電子に起因する量子線形MR（QLMR）と最も整合的であり、トポロジカルな表面状態の存在を支持する。