[논문 리뷰] Gate-tunable Intrinsic Anomalous Hall Effect in Epitaxial MnBi2Te4 Films

Shanshan Liu, Jie-Xiang Yu외 12명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 01.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 52인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 고dielectric 상수의 SrTiO3 백게이트를 사용하여 에pitaxial MnBi2Te4 박막에서 게이트 조절이 가능한 고유의 비정상 홀 효과(AHE)를 입증한다. 이는 3세트 삼중층 박막에서 전자와 정공의 양극성 캐리어 전이와 함께 AHE의 부호가 음성에서 양성으로 전환됨을 보여주며, 이는 스핀-소수성 표면 상태와 스핀-다수성 부스러기 밴드 간의 경쟁적인 베리 곡률에 의해 유도되며, 최초의 원리 계산으로 확인된다.

ABSTRACT

Anomalous Hall effect (AHE) is an important transport signature revealing topological properties of magnetic materials and their spin textures. Recently, antiferromagnetic MnBi2Te4 has been demonstrated to be an intrinsic magnetic topological insulator that exhibits quantum AHE in exfoliated nanoflakes. However, its complicated AHE behaviors may offer an opportunity for the unexplored correlation between magnetism and band structure. Here, we show the Berry curvature dominated intrinsic AHE in wafer-scale MnBi2Te4 thin films. By utilizing a high-dielectric SrTiO3 as the back-gate, we unveil an ambipolar conduction and electron-hole carrier (n-p) transition in ~7 septuple layer MnBi2Te4. A quadratic relation between the saturated AHE resistance and longitudinal resistance suggests its intrinsic AHE mechanism. For ~3 septuple layer MnBi2Te4, however, the AHE reverses its sign from pristine negative to positive under the electric-gating. The first-principles calculations demonstrate that such behavior is due to the competing Berry curvature between polarized spin-minority-dominated surface states and spin-majority-dominated inner-bands. Our results shed light on the physical mechanism of the gate-tunable intrinsic AHE in MnBi2Te4 thin films and provide a feasible approach to engineering its AHE.

연구 동기 및 목표

• 웨이퍼 스케일의 에pitaxial MnBi2Te4 박막에서의 고유 비정상 홀 효과(AHE)를 조사하는 것.
• 반자성 위상 절연체에서 자성, 밴드 구조 및 AHE 간의 상관관계를 탐색하는 것.
• 소층 수준의 MnBi2Te4에서 AHE의 부호와 크기에 전기적 게이팅 제어를 달성하는 것.
• 최초의 원리 계산을 통해 게이트 조절이 가능한 AHE의 미세 구조 기원을 밝히는 것.

제안 방법

• 약 3에서 약 7 세트 삼중층의 에pitaxial MnBi2Te4 박막을 단일 결정 기질 위에 성장시켰다.
• 고dielectric 상수의 SrTiO3 기질을 백게이트로 사용하여 캐리어 농도를 전기적으로 조절했다.
• 운반성 측정을 통해 종방향 저항과 홀 저항을 추출하여, 양극성 도핑과 AHE 거동을 확인했다.
• 포화 AHE 저항이 종방향 저항에 대해 2차 함수적으로 의존함을 통해 고유 AHE 메커니즘을 확인했다.
• 스핀-소수성 표면 상태와 스핀-다수성 부스러기 밴드의 베리 곡률 기여를 분석하기 위해 최초의 원리 계산을 시행했다.
• 게이팅 조건에서 ~3 SL 박막에서 AHE 부호 전환이 발생하는 것을 설명하기 위해 이론적 모델링을 사용했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전기적 게이팅이 MnBi2Te4 박막에서 고유 비정상 홀 효과(AHE)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 소층 수준의 MnBi2Te4에서 게이트 조절이 가능한 AHE 부호 전환의 기원은 무엇인가?
• RQ3 표면 상태와 부스러기 상태에서 기인하는 경쟁적 베리 곡률 기여가 MnBi2Te4의 AHE에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 MnBi2Te4 박막에서 AHE가 얼마나 고유 메커니즘에 의해 지배되는가?
• RQ5 캐리어 농도 제어를 통해 MnBi2Te4의 AHE를 전기적으로 조절할 수 있는가?

주요 결과

• 백게이팅 조건에서 약 7 세트 삼중층 MnBi2Te4 박막에서 전자-정공(n-p) 전이를 포함한 양극성 도핑이 관찰되었다.
• 포화 AHE 저항이 종방향 저항에 대해 2차 함수적으로 의존함을 통해 고유 AHE 메커니즘이 확인되었다.
• ~3 세트 삼중층 박막에서 전기적 게이팅 조건에서 AHE 부호가 음성에서 양성으로 전환되었다.
• 최초의 원리 계산을 통해 스핀-소수성 지배 표면 상태와 스핀-다수성 지배 내부 밴드에서 기인하는 경쟁적 베리 곡률 기여가 드러났다.
• AHE 부호 전환은 캐리어 도핑에 의해 조절 가능한 이러한 경쟁적 베리 곡률 기여의 지배력 변화에 기인한다.
• 결과적으로, 고유 자성 위상 절연체에서 AHE를 전기적으로 설계 가능한 길을 제시한다.