[论文解读] Conduction through subsurface cracks in bulk topological insulators

Steven Wolgast, Yun Suk Eo+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究表明，像SmB6这样的体相拓扑绝缘体中的亚表面裂纹由于其拓扑保护的表面态，会作为额外的导电通道，显著增强电导。通过受控刮擦和电子显微镜分析，作者发现此类裂纹会增加表观载流子浓度并降低霍尔系数，从而解释了高质量样品中异常输运行为的原因。

ABSTRACT

Topological insulators (TIs) have the singular distinction of being electronic insulators while harboring metallic, conductive surfaces. In ordinary materials, defects such as cracks and deformations are barriers to electrical conduction, intuitively making the material more electrically resistive. Peculiarly, 3D TIs should become better conductors when they are cracked because the cracks themselves, which act as conductive topological surfaces, provide additional paths for the electrical current. Significantly, for a TI material, any surface or extended defect harbors such conduction. In this letter, we demonstrate that small subsurface cracks formed within the predicted 3D TI samarium hexaboride (SmB$_{6}$) via systematic scratching or sanding results in such an increase in the electrical conduction. SmB$_{6}$ is in a unique position among TIs to exhibit this effect because its single-crystals are thick enough to harbor cracks, and because it remarkably does not appear to suffer from conduction through bulk impurities. Our results not only strengthen the building case for SmB$_{6}$'s topological nature, but are relevant to all TIs with cracks, including TI films with grain boundaries.

研究动机与目标

• 探究在输运测量中观测到的显著高于2D量子极限的表观载流子密度的起源。
• 确定表面损伤或亚表面裂纹是否会导致绝缘体体相的拓扑绝缘体中电导增加。
• 研究裂纹在改变测得输运性质（尤其是霍尔系数和电导率）中的作用。
• 提供实验证据，证明SmB6中的亚表面裂纹由于拓扑表面态而成为导电通道。
• 通过考虑表面不可见的裂纹诱导导电路径，解决表面输运测量中的矛盾之处。

提出的方法

• 使用光刻和热蒸发Ti/Au电极，在SmB6单晶的(011)表面制备科博尔诺盘形几何结构。
• 在1.5 K至4 K的温度范围内，采用锁相技术在17.72 Hz频率下进行变温电阻测量。
• 通过金刚石针尖划痕在抛光样品上诱导受控的表面损伤，以产生亚表面裂纹。
• 利用聚焦离子束（FIB）铣削和扫描电子显微镜（SEM）对横截面成像，识别亚表面裂纹。
• 将电阻和霍尔系数的变化与机械表面处理相关联，以分离裂纹诱导的电导。
• 分析离子束铣削的横截面，确认裂纹在表面以下的存在，测量其深度和横向扩展。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管肉眼不可见，SmB6中的亚表面裂纹是否能显著贡献于电导？
• RQ2 为何表面抛光质量提高后，SmB6的表面电导反而降低，与预期相反？
• RQ3 亚表面裂纹在多大程度上能解释霍尔测量中观测到的非物理性高表观载流子密度？
• RQ4 SmB6中的裂纹与外表面相比是否具有不同的输运特性，以及它们如何影响测得的霍尔系数？
• RQ5 裂纹形成是否可归因于抛光或划痕过程中机械应力超过材料抗拉强度？

主要发现

• 在SmB6的划痕或抛光过程中形成的亚表面裂纹，由于其拓扑保护的表面态，成为额外的导电通道。
• 裂纹诱导的电导导致电阻显著降低，霍尔系数减小，从而模拟出载流子浓度增加的表象。
• 由于亚表面裂纹的贡献，霍尔测量中的表观载流子密度可超过2D量子极限5.85×10¹⁴ cm⁻²。
• 在离子束铣削的横截面中观察到宽度仅为100 nm、长度达10 µm的裂纹，证实其位于表面以下。
• 电导增加并非仅由表面粗糙化引起，因为表面积增加无法解释电阻变化的幅度。
• 该现象与赫兹接触理论预测一致：裂纹在最大接触应力超过SmB6抗拉强度的深度处形成。