[논문 리뷰] Solution to the hole-doping problem and tunable quantum Hall effect in Bi$_{2}$Se$_{3}$ thin films

Jisoo Moon, Nikesh Koirala외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 16.

Magnetic Field Sensors Techniques인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 표면 결함을 억제하기 위한 표면 공학 기법을 통해 Bi₂Se₃ 박막에서 장기간 해결되지 않았던 p형 도핑 문제를 해결함으로써, 이 물질에서 처음으로 조절 가능한 양자홀 효과(QHE) 연구를 가능하게 하였다. 저자들은 디랙 점을 중심으로 비대칭적인 QHE 서명과 제로 제도 랑비 레벨 근처의 이례적인 상태를 규명하였으며, 이는 위상적 양자 장치의 개발을 위한 길을 열었다.

ABSTRACT

Bi$_{2}$Se$_{3}$, one of the most widely studied topological insulators (TIs), is naturally electron-doped due to n-type native defects. However, many years of efforts to achieve p-type Bi$_{2}$Se$_{3}$ thin films have failed so far. Here, we provide a solution to this long-standing problem, showing that the main culprit has been the high density of interfacial defects. By suppressing these defects through an interfacial engineering scheme, we have successfully implemented p-type Bi$_{2}$Se$_{3}$ thin films down to the thinnest topological regime. On this platform, we present the first tunable quantum Hall effect (QHE) study in Bi$_{2}$Se$_{3}$ thin films, and reveal not only significantly asymmetric QHE signatures across the Dirac point but also the presence of competing anomalous states near the zeroth Landau level. The availability of doping tunable Bi$_{2}$Se$_{3}$ thin films will now make it possible to implement various topological quantum devices, previously inaccessible.

연구 동기 및 목표

• 수년간의 노력에도 불구하고 p형 Bi₂Se₃ 박막을 구현하는 데 실패하는 데 기인한 문제를 해결하고자 한다.
• 표면 결함이 본질적 n형 도핑과 정공 도핑 억제의 주요 원인임을 규명하고자 한다.
• 초박막 Bi₂Se₃ 박막에서 p형 도핑을 가능하게 하는 표면 공학 전략을 개발하고자 한다.
• 위상 절연체 박막에서 처음으로 조절 가능한 양자홀 효과 연구를 가능하게 하고자 한다.
• Bi₂Se₃에서 전기적 도핑 제어를 완전히 확보하여 위상적 양자 장치의 길을 열고자 한다.

제안 방법

• 본질적 n형 도핑의 원인이 되는 고밀도 표면 결함을 억제하기 위해 표면 공학 기법을 적용하였다.
• 고품질의 Bi₂Se₃ 박막을 제어된 표면을 갖도록 얻기 위해 분자束 epitaxy(MBE)를 사용하였다.
• 고자기장 하에서 전기적 운반자 성질 측정을 수행하여 양자홀 효과를 탐구하였다.
• 백게이팅을 통한 시스템적 운반자 농도 조절을 수행하여 전자 및 정공 도핑 영역를 모두 접근하였다.
• 랭비 준위 스펙트럼을 분석하여 제로 제도 랑비 준위 근처의 이례적인 상태를 탐지하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수년간의 노력에도 불구하고 Bi₂Se₃ 박막에서 p형 도핑을 달성하지 못하는 이유는 무엇인가?
• RQ2 표면 결함은 Bi₂Se₃에서 본질적 도핑 성향과 운반자 농도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 표면 공학 전략을 통해 초박막 Bi₂Se₃ 박막에서 p형 도핑을 달성할 수 있는가?
• RQ4 p형 도핑된 Bi₂Se₃에서의 양자홀 효과 서명은 n형 도핑된 샘플과 어떻게 다를까?
• RQ5 Bi₂Se₃ 박막에서 제로 제도 랑비 준위 근처에 경쟁적인 전자 상태가 존재하는가?

주요 결과

• 저자들은 표면 결함을 억제함으로써 초박막 위상 절연체 영역까지 p형 Bi₂Se₃ 박막을 성공적으로 구현하였다.
• 전자 및 정공 도핑 영역에서 모두 조절 가능한 양자홀 효과가 관측되어 운반자 유형에 대한 완전한 전기적 제어가 가능함을 입증하였다.
• 디랙 점을 중심으로 비대칭적인 양자홀 효과 서명이 관측되어 강한 many-body 효과를 시사하였다.
• 제로 제도 랑비 준위 근처에 이례적인 전자 상태가 확인되어 경쟁적인 상호작용 상이 존재할 가능성을 시사하였다.
• 결과적으로 표면 결함이 본질적 n도핑의 주요 원인임을 확인하였으며, 이들의 억제가 p형 거동을 가능하게 함을 입증하였다.