[論文レビュー] Solution to the hole-doping problem and tunable quantum Hall effect in Bi$_{2}$Se$_{3}$ thin films

Jisoo Moon, Nikesh Koirala+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2018

Magnetic Field Sensors Techniques被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、界面工学による界面欠陓の抑制により、長年の課題であったBi₂Se₃薄膜におけるp型ドーピングの達成を解決した。これにより、この材料における最初の可変量子ホール効果（QHE）研究が可能になった。著者らは、ゼロ番目のランダウ準位付近の非対称なQHEシグネチャーおよび異常な状態を実証し、トポロジカル量子デバイスの実現に道を拓いた。

ABSTRACT

Bi$_{2}$Se$_{3}$, one of the most widely studied topological insulators (TIs), is naturally electron-doped due to n-type native defects. However, many years of efforts to achieve p-type Bi$_{2}$Se$_{3}$ thin films have failed so far. Here, we provide a solution to this long-standing problem, showing that the main culprit has been the high density of interfacial defects. By suppressing these defects through an interfacial engineering scheme, we have successfully implemented p-type Bi$_{2}$Se$_{3}$ thin films down to the thinnest topological regime. On this platform, we present the first tunable quantum Hall effect (QHE) study in Bi$_{2}$Se$_{3}$ thin films, and reveal not only significantly asymmetric QHE signatures across the Dirac point but also the presence of competing anomalous states near the zeroth Landau level. The availability of doping tunable Bi$_{2}$Se$_{3}$ thin films will now make it possible to implement various topological quantum devices, previously inaccessible.

研究の動機と目的

• 何年にもわたる努力にもかかわらず、p型Bi₂Se₃薄膜の達成に失敗し続けているという長年の課題を克服すること。
• 界面欠陓がn型の本質的ドーピングおよびホールドーピングの抑制の主な原因であることを同定すること。
• 超薄膜Bi₂Se₃薄膜におけるp型ドーピングを可能にする界面工学戦略を開発すること。
• トポロジカル絶縁体薄膜における最初の可変量子ホール効果研究を可能にすること。
• Bi₂Se₃における完全な電気的ドーピング制御の達成により、トポロジカル量子デバイスへの道筋を拓くこと。

提案手法

• 本質的n型ドーピングの原因である高密度の界面欠陓を抑制するため、界面工学を用いた。
• 高品質なBi₂Se₃薄膜を制御された界面で成長させるために、分子線エpitaxy（MBE）を用いた。
• 高磁場下での電気的輸送測定を実施し、量子ホール効果を調べた。
• バックゲーティングによるキャリア密度の系統的チューニングを実施し、電子およびホールドーピング領域へのアクセスを達成した。
• ランダウ準位スペクトルの解析により、ゼロ番目のランダウ準位付近の異常な状態を検出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 何年にもわたる努力にもかかわらず、Bi₂Se₃薄膜におけるp型ドーピングが達成できない主な原因は何ですか？
• RQ2 界面欠陓は、Bi₂Se₃における本質的ドーピングの種別およびキャリア濃度にどのように影響しますか？
• RQ3 界面工学は、超薄膜Bi₂Se₃薄膜におけるp型ドーピングを可能にできますか？
• RQ4 p型ドーピングされたBi₂Se₃における量子ホール効果のシグネチャーは何か？また、n型ドーピングされたサンプルとはどのように異なりますか？
• RQ5 Bi₂Se₃薄膜では、ゼロ番目のランダウ準位付近に競合する電子的状態が存在しますか？

主な発見

• 著者らは、界面欠陓の抑制により、最も薄いトポロジカル領域までp型Bi₂Se₃薄膜を達成した。
• 電子およびホールドーピング領域の両方で可変量子ホール効果が観測され、キャリア種の完全な電気的制御が実証された。
• ディラック点をまたぐ領域で量子ホールシグネチャーの顕著な非対称性が観測され、強いmany-body効果を示唆した。
• ゼロ番目のランダウ準位付近に異常な電子状態が同定され、競合する相関状態の可能性を示唆した。
• 結果から、界面欠陓が本質的nドーピングの主因であることが確認され、それらの抑制がp型挙動の実現を可能にすることが示された。