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