[论文解读] Gate-tunable anomalous Hall effect in stacked van der Waals ferromagnetic insulator - topological insulator heterostructures

Andres E. Llacsahuanga Allcca, Xingchen Pan+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2022

Topological Materials and Phenomena参考文献 36被引用 9

一句话总结

本研究通过干法转移技术，在机械剥离的Cr2Ge2Te6（铁磁绝缘体）与BiSbTeSe2（拓扑绝缘体）组成的范德华异质结中，实现了栅压可调的反常霍尔效应（AHE）。该AHE表现出清晰的磁滞回线，并可通过电场栅压调制，证实了在完全范德华异质结中存在磁性近邻效应，且不受外延生长限制，从而可调控载流子浓度与AHE幅值。

ABSTRACT

The search of novel topological phases, such as the quantum anomalous Hall insulator (QAHI) or the axion insulator, has motivated different schemes to introduce magnetism into topological insulators. One scheme is to introduce ferromagnetic dopants in topological insulators. However, it is generally challenging and requires carefully engineered growth/heterostructures or relatively low temperatures to observe the QAHI due to issues such as the added disorder with ferromagnetic dopants. Another promising scheme is using the magnetic proximity effect with a magnetic insulator to magnetize the topological insulator. Most of these heterostructures are synthesized so far by growth techniques such as molecular beam epitaxy and metallic organic chemical vapor deposition. These are not readily applicable to allow mixing and matching many of the available ferromagnetic and topological insulators due to difference in growth conditions and lattice mismatch. Here, we demonstrate that the magnetic proximity effect can still be obtained in stacked heterostructures assembled via the dry transfer of exfoliated micrometer-sized thin flakes of van der Waals topological insulator and magnetic insulator materials (BiSbTeSe2/Cr2Ge2Te6), as evidenced in the observation of an anomalous Hall effect (AHE). Furthermore, devices made from these heterostructures can allow modulation of the AHE when controlling the carrier density via electrostatic gating. These results show that simple mechanical transfer of magnetic van der Waals materials provides another possible avenue to magnetize topological insulators by magnetic proximity effect, a key step towards further realization of novel topological phases such as QAHI and axion insulators.

研究动机与目标

• 在不依赖外延生长的条件下，实现在拓扑绝缘体中的磁性近邻效应，以克服晶格失配与互扩散问题。
• 证明机械剥离的范德华材料可形成具有强磁性与输运性能的异质结。
• 在二维铁磁绝缘体与体相绝缘拓扑绝缘体组成的异质结中实现栅压可调的反常霍尔效应。
• 证明拓扑绝缘体表面态中的载流子浓度可通过电场栅压调制，从而实现对AHE幅值的控制。
• 提供一种可扩展的、非外延生长的平台，用于探索量子反常霍尔绝缘体与轴子绝缘体相。

提出的方法

• 通过干法机械转移技术，将微米级的Cr2Ge2Te6（CGT）和BiSbTeSe2（BSTS）薄片转移，确保界面清洁、无缺陷。
• 采用背栅场效应器件进行四端子电学测量，于2 K温度下探测纵向电阻（Rxx）与霍尔电阻（Rxy）。
• 施加垂直于平面的磁场，通过Rxy的磁滞回线测量霍尔响应，并提取反常霍尔效应（AHE）。
• 采用Hikami-Larkin-Nagaoka（HLN）方程拟合磁阻数据，提取与弱反局域化相关的自旋-轨道耦合参数（α, lϕ）。
• 对CGT薄片进行磁光克尔效应（MOKE）测量，以关联其磁滞行为与AHE特性。
• 采用多项式背景扣除法，分离出AHE磁滞回线幅值（ΔRxy），并研究其与栅压和温度的依赖关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过干法转移技术，在拓扑绝缘体中有效诱导出由范德华铁磁绝缘体引起的磁性近邻效应？
• RQ2 此类异质结中的反常霍尔效应是否具有栅压可调性，且载流子浓度调制能否控制其幅值？
• RQ3 所观测到的AHE是否与其它非线性霍尔效应相区别，其是否表现出清晰的磁滞回线，表明具有铁磁有序？
• RQ4 CGT薄片的磁滞行为如何影响异质结中AHE特性？
• RQ5 AHE幅值能否与表面态中的纵向电阻和载流子浓度建立定量关系？

主要发现

• 在CGT/BSTS异质结中观测到清晰的、栅压可调的反常霍尔效应，其磁滞回线幅值约为3.5 Ω，矫顽场约为0.035 T。
• AHE幅值（ΔRxy）随背栅电压变化，从VBG = -20 V时的约1.5 Ω增加至VBG = +20 V时的约4.5 Ω，其变化趋势与纵向电阻极小值一致。
• 随着温度升高，AHE磁滞回线幅值减小，在约10 K以上完全消失，表明磁性近邻效应受热抑制。
• 观测到ΔRxy ~ Rxx^2.8±0.3的幂律依赖关系，表明AHE与表面态中载流子输运之间存在强关联。
• MOKE测量证实，厚度小于10 nm的CGT薄片表现出矩形磁滞回线，具有高剩磁与高矫顽力，其磁性特征被继承至AHE响应中。
• 器件在Rxx中表现出双极场效应行为，最小值出现在VBG ≈ 15 V附近，与通过狄拉克点一致，并表现出增强的自旋-轨道耦合。