[논문 리뷰] Tuning Fermi Levels in Intrinsic Antiferromagnetic Topological Insulators MnBi2Te4 and MnBi4Te7 by Defect Engineering and Chemical Doping

Mao‐Hua Du, Jiaqiang Yan외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 27.

Topological Materials and Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 고유의 반자성 상전이 절연체인 MnBi2Te4와 MnBi4Te7에서 결함 공학과 화학 도핑을 통해 패스트 수준을 효과적으로 조절할 수 있음을 보여준다. 성장 조건(Te 풍부 vs. Te 빈도)을 제어하고 NaMn 수용체를 도입함으로써, 패스트 수준이 격자 밴드 갭으로 이동하여 금속성 전도도가 억제되고, 상전이 표면 상태의 관찰이 가능해진다.

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.

연구 동기 및 목표

• MnBi2Te4와 MnBi4Te7에서 높은 고유 결함 농도로 인해 발생하는 격자 금속성 전도도 문제를 해결한다.
• 전도 밴드 근처의 패스트 수준 고정으로 인해 상전이 표면 상태 측정이 억제되는 문제를 해결한다.
• 양자 운반 측정을 가능하게 하기 위해 패스트 수준을 격자 밴드 갭으로 이동시키기 위한 전략을 개발한다.
• 큰 크기 불일치를 가진 이온의 효과적 도핑을 가능하게 하는 내부 응력과 결함 형성의 역할을 조사한다.
• 더욱이 조절하기 위해 MnSb2Te4와 MnBi4Te7에서의 결함 분할을 통한 Sb 도핑의 가능성 탐색

제안 방법

• 밀도함수이론(DFT) 계산을 활용하여 MnBi2Te4와 MnBi4Te7에서의 결함 형성 에너지와 전자 구조를 분석한다.
• MnBi2Te4와 MnBi4Te7에서 이종 구조에 기인한 응력이 역위치 결함(BiMn) 형성에 미치는 영향을 모델링한다.
• Te 풍부 및 Te 빈도 성장 조건이 패스트 수준 위치와 실체 농도에 미치는 영향을 시뮬레이션한다.
• BiMn 기증체를 상쇄하고 패스트 수준을 낮추기 위해 NaMn 치환 도핑이 수용체로 효과적으로 작용할 수 있는지 평가한다.
• MnSb2Te4 및 관련 고체 용액 분석을 통한 결함 분할 및 Sb 도핑 경로를 검토한다.
• 이론적 예측과 실험적 운반 측정 결과를 연계하여 패스트 수준 조절의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이종 구조에서 기인한 내부 응력은 MnBi2Te4와 MnBi4Te7에서 BiMn 역위치 결함의 형성 에너지에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 Te 풍부 성장 조건이 MnBi2Te4와 MnBi4Te7에서 패스트 수준을 효과적으로 낮추어 고유의 반도체 행동을 달성하는 데 기여하는가?
• RQ3 NaMn 수용체가 BiMn 기증체를 얼마나 효과적으로 상쇄하고 패스트 수준을 격자 밴드 갭으로 이동시킬 수 있는가?
• RQ4 MnBi4Te7에서의 결함 분할은 어떤 역할을 하는가? 그리고 전자적 및 자성 특성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 MnSb2Te4 경로를 통한 Sb 도핑이 MnBi2Te4에서 패스트 수준 조절을 위한 실현 가능한 길로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• MnBi2Te4와 MnBi4Te7에서 내부 응력은 BiMn 역위치 결함의 형성 에너지를 크게 감소시켜 고유의 기증체 농도가 높아지게 한다.
• Te 빈도 성장 조건은 다량의 BiMn 기증체로 인해 비편재적 n형 전도도를 유도하며, 패스트 수준이 전도 밴드 근처에 고정된다.
• Te 풍부 성장 조건은 패스트 수준을 낮추는 것으로 예측되며, 이는 운반 측정 결과로 실험적으로 확인되었다.
• NaMn 도핑은 효과적인 수용체로 작용하여 BiMn 기증체를 상쇄하고, Te 빈도 조건에서도 패스트 수준을 격자 밴드 갭으로 이동시킨다.
• 이론적 계산 결과, Na 도핑은 MnBi2Te4의 밴드 갭 내에서 패스트 수준을 고정시켜 상전이 표면 상태의 관찰을 가능하게 한다.
• 결함 분할 및 Sb 도핑 경로는 이러한 물질에서 전자적 및 자성 특성을 더욱 조절하기 위한 실현 가능한 전략으로 규명되었다.