williamhill新闻网6月13日电 MnBi₂Te₄层状材料具有层内铁磁和层间反铁磁的性质，其能够将磁性和拓扑性质结合在一起，是一类极具研究价值和应用前景的本征磁性拓扑绝缘体。目前，一个有关MnBi2Te4表面态的问题始终困扰着科研工作者。由于单层MnBi₂Te₄的铁磁性会破坏其体结构的组合对称性（Combination symmetry,S），从而在MnBi₂Te₄的拓扑表面态中引入磁致带隙，其理论预测值约为50-90meV；但实验在制备出来的MnBi₂Te₄样品中仅观察到极小带隙（3-13.5 meV）的表面态，甚至无带隙表面态。MnBi₂Te₄样品中表面态带隙的消失被认为和样品中大量的Mn和Bi反位缺陷相关。

近日，williamhill官网深圳国际研究生院李佳课题组及合作者深入研究了MnBi₂Te₄制备的相变过程和相应的能带演化过程。首先，课题组成员选取MnTe/Bi₂Te₃和MnBi₂Te₄单层作为相变模型来研究其Mn-Bi交换的过程，并发现MnBi和BiMn反位缺陷是相变过程中的主要缺陷（如图1），与实验观察的结果一致。

课题组成员还发现，空位缺陷（如MnTe/Bi₂Te₃中Bi空位和MnBi₂Te₄中Mn空位）能够显著降低相变过程中的动力学势垒。但是随着相变的进行，Mn-Bi交换的动力学势垒逐渐升高，且热力学释放的能量逐渐降低。当大部分Mn-Bi完成交换后，也即MnBi₂Te₄中存在稀浓度的MnBi和BiMn反位缺陷时，简单的退火并不能克服过高动力学势垒，使得最终退火所得的MnBi₂Te₄中出现大量难以消除的Mn-Bi混合反位缺陷（如图2）。过度的提高退火温度来克服动力学势垒并不能进一步提升MnBi₂Te₄样品质量。

最后，课题组成员发现MnBi₂Te₄单层中狄拉克点相关能带的带隙会随着结构中MnBi和BiMn反位缺陷浓度的上升而减小，也即过高的MnBi和BiMn反位缺陷浓度会造成MnBi₂Te₄单层带隙的消失（如图3）。以上研究成果揭示了MnBi₂Te₄中MnBi和BiMn反位缺陷的形成和消失的机理，以及其在MnBi₂Te₄能带调控中扮演的角色，为实验中小带隙表面态的表征提供新的见解。

图1.由MnTe/Bi₂Te₃单层到MnBi2Te4单层相变示意图和材料中本征点缺陷

图2.由MnTe/Bi₂Te₃单层到MnBi₂Te₄单层相变的热力学和动力学过程

图3.由MnTe/Bi₂Te₃单层到MnBi₂Te₄单层相变的能带演化过程

相关研究成果以“MnBi₂Te₄中不可消除的Mn-Bi混合反位缺陷”（Irremovable Mn-Bi Site Mixing in MnBi₂Te₄）为题发表在《纳米快报》（Nano Letters）上。

论文的第一作者为williamhill官网深圳国际研究生院2018级博士生吴曦，通讯作者为williamhill官网深圳国际研究生院李佳副教授。论文共同作者还包括北京航空航天大学汤沛哲教授、williamhill官网深圳国际研究生院康飞宇教授和williamhill官网物理系段文晖教授。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省“珠江人才计划”本土创新科研团队和深圳市基础研究等项目的资助。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c00956

供稿：深圳国际研究生院

题图设计：李柳依

编辑：李华山

审核：郭玲