[論文レビュー] Tuning Fermi Levels in Intrinsic Antiferromagnetic Topological Insulators MnBi2Te4 and MnBi4Te7 by Defect Engineering and Chemical Doping

Mao‐Hua Du, Jiaqiang Yan+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2020

Topological Materials and Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、欠陥工学および化学ドーピングが、真性反強磁性トポロジカル絶縁体MnBi2Te4およびMnBi4Te7におけるフェルミ準位を効果的に調整できることを示している。成長条件（Te過剰対比Te不足）を制御し、NaMn受容体を導入することで、フェルミ準位がバルクバンドギャップ内にシフトし、金属的導電性が抑制され、トポロジカル表面状態の観測が可能になった。

ABSTRACT

MnBi2Te4 and MnBi4Te7 are intrinsic antiferromagnetic topological insulators, offering a promising materials platform for realizing exotic topological quantum states. However, high densities of intrinsic defects in these materials not only cause bulk metallic conductivity, preventing the measurement of quantum transport in surface states, but may also affect magnetism and topological properties. In this paper, we show by density functional theory calculations that the strain induced by the internal heterostructure promotes the formation of large-size-mismatched antisite defect BiMn in MnBi2Te4; such strain is further enhanced in MnBi4Te7, giving rise to even higher BiMn density. The abundance of intrinsic BiMn donors results in degenerate n-type conductivity under the Te-poor growth condition. Our calculations suggest that growths in a Te-rich condition can lower the Fermi level, which is supported by our transport measurements. We further show that the internal strain can also enable efficient doping by large-size-mismatched substitutional NaMn acceptors, which can compensate BiMn donors and lower the Fermi level. Na doping may pin the Fermi level inside the bulk band gap even at the Te-poor limit in MnBi2Te4. Furthermore, facile defect formation in MnSb2Te4 and its implication in Sb doping in MnBi2Te4 as well as the defect segregation in MnBi4Te7 are discussed. The defect engineering and doping strategies proposed in this paper will stimulate further studies for improving synthesis and for manipulating magnetic and topological properties in MnBi2Te4, MnBi4Te7, and related compounds.

研究の動機と目的

• MnBi2Te4およびMnBi4Te7に顕著な高密度の内在的欠陥が存在し、バルク金属的導電性を引き起こすという課題に対処する。
• 伝導帯に近いフェルミ準位ピンニングが、トポロジカル表面状態の測定を阻害するのを克服する。
• 量子輸送測定を可能にするために、フェルミ準位をバルクバンドギャップ内にシフトさせる戦略を開発する。
• 大径の不適合イオンの有効なドーピングを可能にする内部応力および欠陥形成の役割を調査する。
• Sbドーピングの可能性をMnSb2Te4およびMnBi4Te7における欠陥セグリゲーションを通じて検討し、さらなる調整を図る。

提案手法

• 密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、MnBi2Te4およびMnBi4Te7における欠陥形成エネルギーおよび電子構造を分析する。
• MnBi2Te4およびMnBi4Te7におけるアンチサイト欠陥（BiMn）形成に及ぼす内部ヘテロ構造由来の応力の影響をモデル化する。
• Te過剰対比とTe不足対比の成長条件がフェルミ準位位置およびキャリア濃度に与える影響をシミュレートする。
• NaMn置換型ドーピングが受容体として機能し、BiMn供与体を補償し、フェルミ準位を低下させることの可能性を評価する。
• MnSb2Te4および関連固体溶液の分析を通じて、欠陥セグリゲーションおよびSbドーピング経路を検討する。
• 理論的予測と実験的輸送測定結果を照合し、フェルミ準位の調整を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヘテロ構造に起因する内部応力は、MnBi2Te4およびMnBi4Te7におけるBiMnアンチサイト欠陥の形成にどのように影響するか？
• RQ2 Te過剰成長条件は、MnBi2Te4およびMnBi4Te7におけるフェルミ準位を効果的に低下させ、内在的半導体的挙動を達成できるか？
• RQ3 NaMn受容体は、BiMn供与体をどれほど補償し、フェルミ準位をバルクバンドギャップ内にシフトさせることができるか？
• RQ4 MnBi4Te7における欠陥セグリゲーションの役割は何か？ また、電子的および磁気的性質にどのように影響するか？
• RQ5 MnSb2Te4経由のSbドーピングは、MnBi2Te4におけるフェルミ準位調整の有効な手段として利用可能か？

主な発見

• MnBi2Te4およびMnBi4Te7における内部応力は、BiMnアンチサイト欠陥の形成エネルギーを顕著に低下させ、高い内在的供与体濃度をもたらす。
• Te不足成長条件では、多数のBiMn供与体が存在し、デジェネレートn型導電性となり、フェルミ準位が伝導帯に近づいてピンニングする。
• Te過剰成長条件は、フェルミ準位を低下させると予測され、輸送測定によって実験的にも確認された。
• NaMnドーピングは効果的な受容体として機能し、Te不足条件下ですでにフェルミ準位をバルクバンドギャップ内にシフトさせる。
• 理論的計算により、NaドーピングはMnBi2Te4のバンドギャップ内にフェルミ準位をピン留めできることを示し、トポロジカル表面状態の観測が可能になる。
• 欠陥セグリゲーションおよびSbドーピング経路は、これらの材料における電子的および磁気的性質のさらなる調整のための実用的戦略であると特定された。