[论文解读] Residual gas absorption effect on the electronic structure of Cr-doped Bi2Se3

Turgut Yilmaz, W. A. Hines+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 43被引用 5

一句话总结

本研究通过角分辨光电子能谱（ARPES）揭示，Cr掺杂Bi2Se3表面的残余气体吸附是导致其表面能隙随温度变化的原因。吸附的气体引起电子掺杂，使化学势发生偏移并抑制能隙，从而阻碍了在较高温度下实现量子反常霍尔效应。

ABSTRACT

In this report, we identify the origin of the temperature dependence of the surface energy gap in impurity-doped topological insulators. The gap at the Dirac point and its variation with temperature were studied by using angle-resolved photoemission spectroscopy in Cr-doped Bi2Se3. Our valence band photoemission results revealed that the gap varies with temperature due to residual gas condensation on the sample surface with cooling. Adsorbate on the surface of the sample creates an electron doping effect that modifies the chemical potential of the system resulting in the change of the gap with variable temperature. Such electron doping can weaken the ferromagnetism and lead to a bulk band contribution in the transport measurements. Also, a larger energy gap is required to suppress the thermal excitations for the quantum anomalous Hall effect. Therefore, such effects can hinder the quantum anomalous Hall state at higher temperatures. Resolving this issue can pave the way for enhancing the observation temperature of the quantum anomalous Hall effect. Therefore, our findings can play a significant role in the discovery of the high-temperature quantum anomalous Hall effect in impurity-doped topological insulators.

研究动机与目标

• 研究Cr掺杂Bi2Se3中表面能隙随温度波动的起源。
• 确定表面吸附物是否影响电子结构和化学势。
• 评估残余气体冷凝对铁磁性和输运性质的影响。
• 探讨表面掺杂对量子反常霍尔态稳定性的影响。
• 为提高拓扑绝缘体中量子反常霍尔效应的观测温度提供见解。

提出的方法

• 采用角分辨光电子能谱（ARPES）测量不同温度下Cr掺杂Bi2Se3的价带结构。
• 进行温度依赖性测量，以关联冷却过程中能隙变化与表面吸附物形成的关联。
• 识别出表面吸附物为电子掺杂的来源，从而改变体系的化学势。
• 理论分析将观测到的能隙变化与残余气体分子引起的电子掺杂导致的化学势偏移联系起来。
• 通过不同温度下ARPES数据的对比分析，揭示了表面冷凝在改变电子性质中的作用。
• 本研究采用原位测量，以最小化表面污染，并隔离残余气体吸附的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么导致了Cr掺杂Bi2Se3表面能隙的温度依赖性变化？
• RQ2 吸附在表面的残余气体分子如何影响化学势和电子结构？
• RQ3 由吸附物引起的表面电子掺杂在多大程度上抑制了铁磁序并影响输运行为？
• RQ4 为何在此体系中难以在较高温度下观测到量子反常霍尔效应？
• RQ5 能否通过控制表面吸附来提高量子反常霍尔态的稳定性和观测温度？

主要发现

• 在冷却过程中，残余气体分子在Cr掺杂Bi2Se3表面冷凝，导致电子掺杂。
• 该吸附使化学势发生偏移，导致温度降低时表面能隙明显减小。
• 观测到的能隙变化并非本征性质，而是由表面吸附物引起的电子掺杂所致。
• 电子掺杂削弱了铁磁序，并在输运测量中引入了体相能带贡献。
• 温度依赖的能隙行为限制了在较高温度下观测量子反常霍尔效应。
• 控制表面吸附对于在掺杂拓扑绝缘体中实现更高温度的量子反常霍尔态至关重要。