[论文解读] Electronic transport in the topological insulator regime: approaching the Dirac point in Bi2Se3

Dohun Kim, Sungjae Cho+5 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2011

Topological Materials and Phenomena被引用 3

一句话总结

本研究通过静电栅控，在薄层、低掺杂的Bi2Se3薄膜的拓扑表面态中实现了载流子极性可调的电子输运，完全抑制了体相载流子，并同时将两个表面的费米能级调节通过狄拉克点。关键结果为观察到线性霍尔电阻率和清晰的场效应调制，最小电导率和残余载流子密度可通过狄拉克能带中的电荷无序理论加以解释。

ABSTRACT

The newly-discovered three-dimensional strong topological insulators (STIs) exhibit topologically-protected Dirac surface states. While the STI surface state has been studied spectroscopically by e.g. photoemission and scanned probes, transport experiments have failed to demonstrate the most fundamental signature of the STI: ambipolar metallic electronic transport in the topological surface of an insulating bulk. Here we show that the surfaces of thin (<10 nm), low-doped Bi2Se3 (\approx10^17/cm3) crystals are strongly electrostatically coupled, and a gate electrode can completely remove bulk charge carriers and bring both surfaces through the Dirac point simultaneously. We observe clear surface band conduction with linear Hall resistivity and well-defined ambipolar field effect, as well as a charge-inhomogeneous minimum conductivity region. A theory of charge disorder in a Dirac band explains well both the magnitude and the variation with disorder strength of the minimum conductivity (2 to 5 e^2/h per surface) and the residual (puddle) carrier density (0.4 x 10^12 cm^-2 to 4 x 10^12 cm^-2). From the measured carrier mobilities 320 cm^2/Vs to 1,500 cm^2/Vs, the charged impurity densities 0.5 x 10^13 cm^-2 to 2.3 x 10^13 cm^-2 are inferred. They are of a similar magnitude to the measured doping levels at zero gate voltage (1 x 10^13 cm^-2 to 3 x 10^13 cm^-2), identifying dopants as the charged impurities.

研究动机与目标

• 证明Bi2Se3拓扑表面态中存在载流子极性可调的金属输运行为，这是强拓扑绝缘体的标志性特征。
• 通过静电解耦并同时调节两个表面，克服体相载流子对输运测量的干扰。
• 量化带电杂质和无序在限制表面态输运特性中的作用。
• 确定测量得到的迁移率、残余载流子密度与杂质浓度在狄拉克能带区域的关系。

提出的方法

• 使用厚度小于10 nm、低掺杂的Bi2Se3单晶，并采用上下双栅结构，实现对两个表面态的静电同时调控。
• 施加栅压以将费米能级调节通过狄拉克点，从而消除体相电荷载流子并探测表面导电行为。
• 测量霍尔电阻率和场效应特性，以确认载流子极性可调的输运行为。
• 利用狄拉克能带中电荷无序的理论模型，分析最小电导率和残余载流子密度。
• 基于屏蔽库仑散射理论，从测量的载流子迁移率反推出带电杂质密度。
• 将推断的杂质密度与零栅压下的实测掺杂水平进行比较，以确认杂质为无序的主要来源。

实验结果

研究问题

• RQ1 在静电栅控条件下，能否在Bi2Se3的拓扑表面态中实验观测到载流子极性可调输运？
• RQ2 通过双栅静电调控，能在多大程度上抑制薄层Bi2Se3薄膜中的体相电荷载流子？
• RQ3 狄拉克能带中的电荷无序如何影响拓扑表面态的最小电导率和残余载流子密度？
• RQ4 测量得到的载流子迁移率与表面态中带电杂质浓度之间存在何种关系？
• RQ5 观测到的掺杂水平是否与造成输运无序的带电杂质一致？

主要发现

• 清晰观测到载流子极性可调的场效应输运，线性霍尔电阻率证实了拓扑保护的狄拉克表面态的存在。
• 最小电导率测量值为每表面2至5 e²/h，与无序狄拉克能带的理论预测一致。
• 在液滴态区域，残余载流子密度范围为0.4 × 10¹² cm⁻²至4 × 10¹² cm⁻²，具体取决于无序强度。
• 测量得到的载流子迁移率范围为320 cm²/Vs至1,500 cm²/Vs，对应带电杂质密度为0.5 × 10¹³ cm⁻²至2.3 × 10¹³ cm⁻²。
• 推断的带电杂质密度与实测掺杂水平（1 × 10¹³ cm⁻²至3 × 10¹³ cm⁻²）相符，证实杂质为无序的主要来源。
• 两个表面之间的静电耦合使得两个表面可同时通过狄拉克点调节，从而实现对表面输运的清晰观测。