磁性原子掺杂的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料及其相应调控方法技术

本发明专利技术公开了一种磁性原子掺杂的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料及其相应调控方法，其中该材料掺杂有磁性原子；掺杂前的初始超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料其结构具有拓扑绝缘性；掺杂磁性原子后，拓扑绝缘性受磁性原子的调控，初始超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料具备的时间反演对称性被破坏，并且磁性原子与其邻近的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料中的原子产生轨道杂化作用，使得掺杂后的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料自旋向上及自旋向下方向上的态密度同时出现不对称效应，并产生诱导磁矩。本发明专利技术通过对关键掺杂元素的具体种类等进行改进，与现有技术相比能够有效解决拓扑绝缘体表面态狄拉克锥调控不易、狄拉克点无法被打开等问题。

【技术实现步骤摘要】
磁性原子掺杂的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料及其相应调控方法
本专利技术属于拓扑绝缘材料
，更具体地，涉及一种磁性原子掺杂的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料及其相应调控方法，该方法可通过磁性原子掺杂调控超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n拓扑绝缘性能。
技术介绍
拓扑绝缘材料这一新型物质态的发现，使得人们在量子计算的实现上看到了新的方向。拓扑绝缘体不能与传统的绝缘体和半导体产生热作用，但经研究发现拓扑超导体材料在产生能隙后发现了由Majorana费米子组成的表面态，为实现拓扑量子计算提供了新的方向。目前对第三代拓扑绝缘体材料Sb2Te3、Bi2Te3等已经有许多相关研究，由于这类材料的六层周期结构，使得其表面态的狄拉克锥能够在实验和理论上都得到观测和证明，这一系列材料的研究对于拓扑绝缘体的发展有着重要作用。超晶格薄膜材料作为一种由两种不同的半导体材料薄层依次交替生长所得到的材料，可以通过实验操作来控制各材料的膜层厚度以此来调节材料特性，2012年，萨百晟等人对在超晶格薄膜材料[GeTe/Sb2Te3]n进行了第一性原理计算，通过计算发现该材料在考虑自旋耦合作用时，表面能带呈现明显狄拉克锥状，而体能带则为有带隙的绝缘态，结果表明超晶格薄膜材料[GeTe/Sb2Te3]n具有拓扑绝缘特性，将拓扑绝缘体材料的领域进一步扩大到了超晶格薄膜材料中。拓扑绝缘体的性能主要由其表面能带的狄拉克锥所决定，对拓扑绝缘体进行调控观察其表面态的变化可以帮助我们发现许多新奇的物理现象，而如何实现拓扑绝缘体表面态的调控则是科研人员亟需解决的一大难题。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种磁性原子掺杂的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料及其相应调控方法，其中通过对关键掺杂元素的具体种类等进行改进，与现有技术相比能够有效解决拓扑绝缘体表面态狄拉克锥调控不易、狄拉克点无法被打开等问题，并且本专利技术还能够产生能带自旋劈裂现象，尤其还能够实现能带劈裂大小超过100meV的能带自旋劈裂。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种磁性原子掺杂的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料，其特征在于，该材料中掺杂有磁性原子；掺杂前的初始超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料其结构具有拓扑绝缘性；掺杂磁性原子后，拓扑绝缘性受所述磁性原子的调控，优选的，所述初始超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料具备的时间反演对称性被破坏，并且所述磁性原子与其邻近的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料中的原子产生轨道杂化作用，使得掺杂后的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料自旋向上及自旋向下方向上的态密度同时出现不对称效应，并产生诱导磁矩，使所述初始超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料由非磁性的拓扑绝缘体转变为具备磁性的磁性原子掺杂的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料。作为本专利技术的进一步优选，所述磁性原子掺杂的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料与所述初始超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料的相比，费米能级位置、态密度结构、导带和价带之间关系、以及表面能带结构均发生有变化。作为本专利技术的进一步优选，与所述初始超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料的相比，所述磁性原子掺杂的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料其狄拉克锥表面态发生有变化，狄拉克点被打开，并出现带隙；优选的，能带还出现有自旋劈裂现象。作为本专利技术的进一步优选，所述磁性原子包括锰Mn、铁Fe、铬Cr、镍Ni、以及稀土元素中的至少一种；所述稀土元素优选包括钐Sm、钕Nd、钆Gd、以及铒Er；优选的，所述磁性原子掺杂在Sb2Te3子层内，或掺杂在GeTe子层内，或同时掺杂在Sb2Te3子层和GeTe子层内。按照本专利技术的另一方面，本专利技术提供了一种调控拓扑绝缘体超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料拓扑绝缘性的方法，其特征在于，该方法是通过向超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料中掺杂磁性原子，从而调整该[GeTe/Sb2Te3]n材料其时间反演对称性属性；并且，掺杂后所述磁性原子将与其邻近的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料中的原子产生轨道杂化作用，使得掺杂后的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料自旋向上及自旋向下方向上的态密度同时出现不对称效应，并产生诱导磁矩，从而调控超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料的拓扑绝缘性。通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于向拓扑绝缘体材料(即超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料)中掺杂磁性原子，通过控制掺杂元素的具体种类，能够有效调整材料的拓扑绝缘性，并得到一类新型的磁性原子掺杂的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料。本专利技术通过磁性原子的掺杂来对拓扑绝缘体性能进行调控是一种有效改善拓扑绝缘体性能的途径，通常选取合适位置及浓度进行掺杂对实验研究尤为重要，而本专利技术通过使用磁性原子掺杂，摆脱了材料改性对掺杂方式的依赖，替位掺杂、间隙掺杂等单一存在或多种并存的掺杂方式均可实现对超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料拓扑绝缘性的调控(当然，用磁性原子对超晶格材料中锑原子进行替代式掺杂具有更优的调控效果)。由于掺杂后，材料晶体结构及内部参数发生变化，导致拓扑绝缘性能发生改变(例如，磁性原子掺杂前后超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n晶体结构参数的变化包括：掺杂前后费米能级位置变化、态密度结构变化、导带和价带之间关系变化以及表面能带结构变化)，并且，还能够产生能带自旋劈裂现象，优选的能带自旋劈裂现象对应的能带劈裂大小超过100meV。本专利技术得到的新型磁性原子掺杂超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料，具有如下优点：通过不同成分及不同种类磁性原子的掺杂，可以对其拓扑绝缘性实行有效调控。本专利技术中磁性原子在超晶格结构中的掺杂方式，可以为替位掺杂、间隙掺杂等掺杂方式，也可以是多种掺杂方式同时存在；以采用替位式掺杂的方式为例，用磁性原子对超晶格材料中锑原子(Sb)进行替代掺杂，磁性原子的引入能够破坏超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n的时间反演对称性，而使得其表面能带结构的狄拉克点打开，同时引发能带产生自旋劈裂现象。通过调节磁性原子的掺杂浓度可以对超晶格材料[GeTe/Sb2Te3]n自旋劈裂程度进行调节，有望应用于自旋电子器件中，实现器件的室温运行和小型化。本专利技术针对超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料，通过磁性原子掺杂，除了在[GeTe/Sb2Te3]n材料体系中磁性原子的引入可破坏体系原有的时间反演对称性外，磁性原子还将与其邻近原子产生轨道杂化作用，使得掺杂后的结构出现了自旋向上及向下方向上态密度出现不对称的情况，产生诱导磁矩，使得[GeTe/Sb2Te3]n材料由非磁性的拓扑绝缘体演变为具备磁性的结构体系。同时[GeTe/Sb2Te3]n材料原有的狄拉克锥表面态产生变化，狄拉克点被打开，出现微小带隙(该带隙宽度可根据后续实际应用需求调整掺杂浓度而灵活调整)，能带出现不同程度的自旋劈裂现象，以实现对其表面能带自旋劈裂程度的调控。通过本专利技术，还可以通过控制掺杂浓度对超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料表面能带自旋劈裂程度进行调控，从而可实现包括拓扑绝缘性在内的材料性质的综合改性调控本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁性原子掺杂的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料，其特征在于，该材料中掺杂有磁性原子；掺杂前的初始超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料其结构具有拓扑绝缘性；掺杂磁性原子后，拓扑绝缘性受所述磁性原子的调控，优选的，所述初始超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料具备的时间反演对称性被破坏，并且所述磁性原子与其邻近的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料中的原子产生轨道杂化作用，使得掺杂后的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料自旋向上及自旋向下方向上的态密度同时出现不对称效应，并产生诱导磁矩，使所述初始超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料由非磁性的拓扑绝缘体转变为具备磁性的磁性原子掺杂的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料。

【技术特征摘要】
1.一种磁性原子掺杂的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料，其特征在于，该材料中掺杂有磁性原子；掺杂前的初始超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料其结构具有拓扑绝缘性；掺杂磁性原子后，拓扑绝缘性受所述磁性原子的调控，优选的，所述初始超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料具备的时间反演对称性被破坏，并且所述磁性原子与其邻近的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料中的原子产生轨道杂化作用，使得掺杂后的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料自旋向上及自旋向下方向上的态密度同时出现不对称效应，并产生诱导磁矩，使所述初始超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料由非磁性的拓扑绝缘体转变为具备磁性的磁性原子掺杂的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料。2.如权利要求1所述磁性原子掺杂的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料，其特征在于，所述磁性原子掺杂的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料与所述初始超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料的相比，费米能级位置、态密度结构、导带和价带之间关系、以及表面能带结构均发生有变化。3.如权利要求1所述磁性原子掺杂的超晶格[GeTe/Sb2Te3]n材料，其特征在于，与所述初始超晶格...

【专利技术属性】
技术研发人员：程晓敏，夏泽瑛，张瑾，冯金龙，童浩，缪向水，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42