[论文解读] Emerging Weak Localization Effects on Topological Insulator-Insulating Ferromagnet (Bi_2Se_3-EuS) Interface

Qi Yang, Dolev, Merav+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2013

Topological Materials and Phenomena被引用 8

一句话总结

本研究展示了在绝缘反铁磁性EuS上外延生长的Bi₂Se₃薄膜中出现的涌现弱局域化效应，仅在EuS的居里温度（15.7 K）以下且薄膜厚度小于约4 nm时表现出负磁阻。该效应源于拓扑绝缘体-绝缘体反铁磁体界面处由近邻效应诱导的能隙打开，为拓扑近邻效应提供了证据，并为在三维拓扑绝缘体中实现半整数量子化反常霍尔效应开辟了路径。

ABSTRACT

Thin films of topological insulator Bi_2Se_3 were deposited directly on insulating ferromagnetic EuS. Unusual negative magnetoresistance was observed near the zero field below the Curie temperature (T_C), resembling the weak localization effect; whereas the usual positive magnetoresistance was recovered above T_C. Such negative magnetoresistance was only observed for Bi_2Se_3 layers thinner than t~4nm, when its top and bottom surfaces are coupled. These results provide evidence for a proximity effect between a topological insulator and an insulating ferromagnet, laying the foundation for future realization of the half-integer quantized anomalous Hall effect in three-dimensional topological insulators.

研究动机与目标

• 研究拓扑绝缘体（Bi₂Se₃）与绝缘反铁磁体（EuS）界面处的电子输运特性。
• 确定Bi₂Se₃与EuS之间的近邻效应是否会导致可观测的量子输运现象，如弱局域化。
• 阐明EuS居里温度以下观测到的负磁阻的起源。
• 确定在三维拓扑绝缘体中实现半整数量子化反常霍尔效应的条件。

提出的方法

• 采用脉冲激光沉积（PLD）在蓝宝石（Al₂O₃）衬底上生长高质量、外延的EuS薄膜（20–200 nm）。
• 在EuS层上顺序沉积约15 nm厚的Bi₂Se₃薄膜，形成双异质结结构。
• 原子力显微镜（AFM）和X射线衍射（XRD）证实了EuS薄膜的表面平整度和结晶质量。
• 在2 K下进行磁输运测量，磁场方向垂直于样品平面及与之成一定角度。
• 超导量子干涉仪（SQUID）和扫描萨尼亚克干涉仪证实了EuS薄膜在T_C以下具有均匀、垂直的磁化强度。
• 理论建模表明，负磁阻源于在狄拉克点处由近邻效应诱导的能隙打开所引起的弱局域化。

实验结果

研究问题

• RQ1 拓扑绝缘体（Bi₂Se₃）与绝缘反铁磁体（EuS）的临近是否会导致可观测的量子输运效应，如弱局域化？
• RQ2 为何负磁阻仅在EuS居里温度以下且Bi₂Se₃薄膜厚度小于约4 nm时出现？
• RQ3 负磁阻的起源是轨道型（弱局域化）还是自旋相关型（如Kondo或类似散射）？
• RQ4 即使在未栅控的Bi₂Se₃中费米能级远离狄拉克点，是否仍可用界面处近邻诱导的能隙来解释观测到的输运行为？
• RQ5 Bi₂Se₃与EuS之间的界面是否具备实现半整数量子化反常霍尔效应所需条件？

主要发现

• 负磁阻仅在EuS居里温度（T_C ≈ 15.7 K）以下出现，表明Bi₂Se₃与绝缘反铁磁体之间存在近邻效应。
• 负磁阻效应局限于厚度小于约4 nm的Bi₂Se₃薄膜中，此时上下表面态发生耦合。
• 磁阻行为被证实为轨道起源，通过磁场方向依赖关系及有效角度标度（θ*）与弱局域化的理论预测一致。
• 二维面密度（n₂D ≈ 2×10¹³ cm⁻²）在仅含Bi₂Se₃和Bi₂Se₃/EuS双异质结样品中保持一致，表明无显著掺杂或界面电荷转移。
• 由于局部表面倾斜，负磁阻在近平行磁场下仍持续存在，证实该效应为轨道型，而非自旋依赖散射所致。
• 结果为Bi₂Se₃–EuS界面处存在近邻诱导能隙提供了有力证据，即使费米能级位于导带中，也暗示可能存在能带弯曲或界面掺杂效应。