[论文解读] Gate-tunable Intrinsic Anomalous Hall Effect in Epitaxial MnBi2Te4 Films

Shanshan Liu, Jie-Xiang Yu+12 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 52被引用 6

一句话总结

本研究通过使用高介电常数SrTiO3背栅，展示了外延MnBi2Te4薄膜中栅压可调的本征反常霍尔效应（AHE）。研究揭示了在约3个七原子层薄膜中，载流子类型发生反向转变，且AHE符号由负变正，其机理由自旋少数态表面态与自旋多数态体带之间的竞争贝里曲率驱动，第一性原理计算已证实此机制。

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.

研究动机与目标

• 研究大面积外延MnBi2Te4薄膜中的本征反常霍尔效应（AHE）。
• 探讨反铁磁拓扑绝缘体中磁性、能带结构与AHE之间的关联。
• 在少层MnBi2Te4中实现对AHE符号和大小的电学栅压调控。
• 利用第一性原理计算阐明栅压可调AHE的微观起源。

提出的方法

• 在单晶衬底上外延生长了厚度约为3至7个七原子层的MnBi2Te4薄膜。
• 采用高介电常数的SrTiO3衬底作为背栅，以静电方式调制载流子密度。
• 通过输运测量提取纵向电阻和霍尔电阻，揭示了双极性输运行为及AHE特性。
• 饱和AHE电阻与纵向电阻呈二次依赖关系，证实了本征AHE机制。
• 采用第一性原理计算分析自旋少数态表面态与自旋多数态体带对贝里曲率的贡献。
• 通过理论建模解释了在约3个单胞层薄膜中，电场栅压下AHE符号反转的机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 静电栅压如何影响MnBi2Te4薄膜中本征反常霍尔效应？
• RQ2 少层MnBi2Te4中栅压可调AHE符号反转的起源是什么？
• RQ3 表面态与体带之间的竞争贝里曲率如何影响MnBi2Te4中的AHE？
• RQ4 MnBi2Te4薄膜中的AHE在多大程度上遵循本征机制？
• RQ5 能否通过载流子密度调控实现对MnBi2Te4中AHE的电学调控？

主要发现

• 在约7个七原子层MnBi2Te4薄膜中，通过背栅调控观察到双极性输运及电子-空穴（n-p）转变。
• 饱和AHE电阻与纵向电阻呈二次依赖关系，证实了本征AHE机制。
• 在约3个七原子层薄膜中，电场栅压下AHE符号由负变正。
• 第一性原理计算揭示了自旋少数态主导的表面态与自旋多数态主导的内层能带之间存在竞争贝里曲率。
• AHE符号反转归因于通过载流子掺杂可调控这些竞争贝里曲率贡献的主导地位。
• 结果表明，为在本征磁性拓扑绝缘体中电学调控AHE提供了可行路径。