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[转载]研究快讯 | 大面积拓扑外尔半金属WTe2薄膜中的SdH量子振荡

已有 5234 次阅读 2020-1-3 16:52 |系统分类:论文交流|文章来源:转载

原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 20 December 2019;

online 26 December 2019

EXPRESS LETTER

Observation of Shubnikov-de Haas Oscillations in Large-Scale Weyl Semimetal WTe2 Films

Yequan Chen(陈业全), Yongda Chen(陈勇达), Jiai Ning(宁纪爱), Liming Chen(陈立明), Wenzhuo Zhuang(庄文卓), Liang He(何亮), Rong Zhang(张荣), Yongbing Xu(徐永兵), Xuefeng Wang(王学锋)

Chin. Phys. Lett. 2020, 37 (1): 017104

文章亮点

近年来，拓扑材料已经成为国际热点研究领域，而要走向实用化的电子器件必须要获得大面积高质量的薄膜材料。拓扑外尔半金属WTe2是近几年迅速发展的明星材料，其薄膜化制备是实现新一代自旋电子器件应用的关键。南京大学电子科学与工程学院王学锋教授、徐永兵教授和张荣教授团队通过脉冲激光沉积技术及后续退火的方法制备了低缺陷密度的、厘米级尺度的高质量WTe2单晶薄膜，从而首次在其中观察到了Shubnikov-de Haas (SdH)量子振荡；并且通过朗道范图分析得到了非平庸的贝利相位。该工作为大面积高质量拓扑外尔半金属薄膜在未来量子信息器件中的应用奠定了重要基础。

大面积拓扑外尔半金属WTe2薄膜中的SdH量子振荡

研究背景

自从1930年在金属铋中发现SdH量子振荡以来，它一直被作为探究金属、半金属和窄带隙半导体费米面处新物理的最有效的手段之一。近年来，新兴的拓扑量子材料，如：拓扑绝缘体、拓扑狄拉克半金属和拓扑外尔半金属等，掀起了一股全球范围的研究热潮。WTe2作为第二类外尔半金属材料在三维尺度下拥有丰富的外尔特性，同时也在二维尺度下展现出奇异的拓扑量子态。因此，研究WTe2材料中的SdH量子振荡成为揭示这些新奇物理现象的常用手段之一。为了满足未来新一代自旋电子器件及量子计算机的应用，制备出平整的、连续的大面积WTe2薄膜是极其关键的第一步。研究人员已通过化学气相沉积、分子束外延、脉冲激光沉积等技术尝试制备大面积的WTe2薄膜。然而，由于W元素本身难以蒸发的困难以及Te元素的易失性，这使得获得的大面积WTe2薄膜通常伴随有诸多缺陷。这些缺陷则大大限制了WTe2薄膜中SdH量子振荡及其它新奇量子效应的直接观测。因此，在大面积WTe2薄膜中，如何勾勒费米面及其拓扑结构仍然是一个亟待解决的关键问题。

内容简介

最近，南京大学电子科学与工程学院王学锋教授课题组利用脉冲激光沉积技术以及后续退火的方法（见图1）成功地抑制了WTe2薄膜中的缺陷态，并在基于氟金云母衬底的高质量厘米级WTe2单晶薄膜中首次清晰地观察到了SdH量子振荡。

图1. (a) 脉冲激光沉积及退火示意图。(b) 高质量WTe2/氟金云母单晶薄膜的拉曼光谱及厘米级尺寸的薄膜照片。

在该工作中，他们在2.9 × 10^-5 Pa的本底真空下，将氟金云母衬底加热至300摄氏度，再通过脉冲激光沉积技术（利用准分子激光轰击多晶WTe2靶材）制备出100 nm厚的无定型WTe2薄膜；随后，将无定型薄膜与Te粉一同真空封装在20 mL容积的石英玻璃管中进行退火。有趣的是，不同的退火温度和时间均能显著影响薄膜样品的温度依赖的电阻率曲线以及磁电阻曲线。他们发现在700摄氏度下退火72小时的样品呈现出最高的剩余电阻比以及磁电阻。尤其显著的是，该样品在10 K以下呈现出清晰的SdH量子振荡（见图2），这是迄今为止首次在大面积的拓扑外尔半金属薄膜中观察到SdH振荡。根据快速傅里叶变换的仔细分析，得到了有效质量~0.3605me、非平庸贝利相位π、丁格尔温度~4.74 K以及量子迁移率~1249 cm²V^-1s^-1。且经过双载流子模型的分析，获得了大于1200 cm²V^-1s^-1的电子与空穴霍尔迁移率以及10¹⁹ cm^-3量级的载流子浓度。相较于其它方法制备的大面积WTe2薄膜，相对较高的迁移率、较低的载流子浓度以及较少的缺陷态为SdH量子振荡的成功观察提供了重要保障。

图2. WTe2单晶薄膜的磁电阻曲线及SdH量子振荡的观察与分析。

值得一提的是，王学锋教授课题组较早开展了碲化物薄膜的脉冲激光沉积方法研究[M. Gao, M. H. Zhang et al., Appl. Phys. Lett. 111, 031906 (2017)]，为本工作的开展奠定了基础；并与他人合作开展了一系列基于WTe2薄膜的光学研究[Appl. Phys. Lett. 112, 171112 (2018); Photon. Res. 7, 1493 (2019)]。

研究意义及重要性

该工作提供了一种制备大面积高质量的拓扑外尔半金属WTe2单晶薄膜的方法，并通过改变退火条件抑制了缺陷态。这使得原本不易被观察到的SdH量子振荡被成功地探测到，从而将大面积拓扑薄膜材料的制备及量子效应的发现推进到了新的高度。可以预见，该方法有望制备其他的二元或多元碲化物薄膜材料。此外，氟金云母衬底的柔性特质也为未来基于拓扑电子材料的柔性量子器件的应用提供了关键技术支持。

本文第一作者是南京大学电子科学与工程学院博士生陈业全，通讯作者是王学锋教授及徐永兵教授，张荣教授对研究的开展给予了重要指导。该项工作是江苏省光电信息功能材料重点实验室及南京微结构协同创新中心的最新研究成果。该研究得到了自然科学基金委优秀青年基金、科技部重点研发计划、中央高校基本业务费等项目的资助。

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