双通道拓扑绝缘体结构、制备方法及产生量子自旋霍尔效应的方法技术

本发明专利技术共公开了一种双通道拓扑绝缘体结构，包括：绝缘基底、第一拓扑绝缘体量子阱薄膜、绝缘间隔层和第二拓扑绝缘体量子阱薄膜，所述第一拓扑绝缘体量子阱薄膜、所述绝缘间隔层和所述第二拓扑绝缘体量子阱薄膜在所述绝缘基底上依次叠加，所述绝缘间隔层将所述第一拓扑绝缘体量子阱薄膜和所述第二拓扑绝缘体量子阱薄膜间隔。本发明专利技术还公开了一种双通道拓扑绝缘体结构制备方法及一种产生量子自旋霍尔效应的方法。

【技术实现步骤摘要】
双通道拓扑绝缘体结构、制备方法及产生量子自旋霍尔效应的方法
本专利技术涉及凝聚态物理领域，涉及一种双通道拓扑绝缘体结构、制备方法及产生量子自旋霍尔效应的方法。
技术介绍
1879年，美国物理学家霍尔发现在通电的导体上加上一个垂直于电流方向的磁场，则在垂直于电流和磁场的方向就会产生电势差。这个电势差是由洛伦兹力导致的，也叫霍尔电压，由霍尔电压可以得到霍尔电阻。在正常霍尔效应下，霍尔电阻的大小和所加磁场B具有线性关系：Rxy＝RH*B，其中RH是霍尔系数。但是紧接着1880年，霍尔发现在磁性材料中，霍尔效应会比非磁性样品的霍尔效应大很多，随着磁场不是单纯的线性关系，这个效应叫做反常霍尔效应。1980年，德国物理学家冯·克利青等在强磁场下的二维电子气系统中发现了整数霍尔效应。1982年，美籍华裔物理学家崔琦发现了具有分数个量子电阻的分数霍尔效应。直到2013年由薛其坤院士领导的团队在铬掺杂(Bi,Sb)2Te3中首先实现了零磁场下的量子反常霍尔效应，但其结构为单通道结构。当需要两个拓扑绝缘体薄膜并联或串联时，需要分别提供两个分别形成在不同基底上的拓扑绝缘体薄膜。
技术实现思路
基于此，有必要提供一种双通道拓扑绝缘体结构、制备方法及产生量子自旋霍尔效应的方法。一种双通道拓扑绝缘体结构，包括：绝缘基底、第一拓扑绝缘体量子阱薄膜、绝缘间隔层和第二拓扑绝缘体量子阱薄膜，所述第一拓扑绝缘体量子阱薄膜、所述绝缘间隔层和所述第二拓扑绝缘体量子阱薄膜在所述绝缘基底上依次叠加，所述绝缘间隔层将所述第一拓扑绝缘体量子阱薄膜和所述第二拓扑绝缘体量子阱薄膜间隔。在其中一个实施例中，所述第一拓扑绝缘体量子阱薄膜、所述绝缘间隔层和所述第二拓扑绝缘体量子阱薄膜的晶格匹配，共同形成一异质结结构。在其中一个实施例中，所述第一拓扑绝缘体量子阱薄膜具有第一晶格常数，所述绝缘间隔层具有第二晶格常数，所述第二拓扑绝缘体量子阱薄膜具有第三晶格常数，所述第一晶格常数和所述第二晶格常数的比值为1:1.1～1.1:1，所述第二晶格常数和所述第三晶格常数的比值为1:1.1～1.1:1。在其中一个实施例中，所述绝缘间隔层分子束外延生长在所述第一拓扑绝缘体量子阱薄膜表面，所述绝缘间隔层的分子束外延生长温度和所述第一拓扑绝缘体量子阱薄膜的分子束外延生长温度之间的差异，所述绝缘间隔层的分子束外延生长温度和所述第二拓扑绝缘体量子阱薄膜的分子束外延生长温度之间的差异，以及所述第一拓扑绝缘体量子阱薄膜和所述第二拓扑绝缘体量子阱薄膜的分子束外延生长温度之间的差异均小于或等于100℃。在其中一个实施例中，所述绝缘间隔层包括纤锌矿结构的CdSe、闪锌矿结构的ZnTe、闪锌矿结构的CdSe、闪锌矿结构的CdTe、闪锌矿结构的HgSe和闪锌矿结构的HgTe中的一种。在其中一个实施例中，还包括叠加在所述第二拓扑绝缘体量子阱薄膜上的绝缘保护层。在其中一个实施例中，所述绝缘保护层包括纤锌矿结构的CdSe、闪锌矿结构的ZnTe、闪锌矿结构的CdSe、闪锌矿结构的CdTe、闪锌矿结构的HgSe和闪锌矿结构的HgTe中的一种。在其中一个实施例中，所述第一拓扑绝缘体量子阱薄膜具有第一矫顽场，所述第二拓扑绝缘体量子阱薄膜具有第二矫顽场，所述第一矫顽场大于或小于所述第二矫顽场。在其中一个实施例中，所述第一拓扑绝缘体量子阱薄膜的材料由化学式MyNz(BixSb1-x)2-y-zTe3表示，所述第二拓扑绝缘体量子阱薄膜的材料由化学式M’y’N’z’(Bix’Sb1-x’)2-y’-z’Te3表示，其中M，M’，N，N’独立的选自Cr、Ti、Fe、Mn和V中的一种；0<x<1，0≤y，0≤z，且0<y+z<2；0<x’<1，0≤y’，0≤z’且0<y’+z’<2；x≠x’和/或y≠y’和/或z≠z’。在其中一个实施例中，所述第一拓扑绝缘体量子阱薄膜的材料由化学式MyNz(BixSb1-x)2-y-zTe3表示，所述第二拓扑绝缘体量子阱薄膜的材料由化学式M’y’N’z’(Bix’Sb1-x’)2-y’-z’Te3表示，其中M，M’，N，N’独立的选自Cr、Ti、Fe、Mn和V中的一种，且M≠M’和/或N≠N’；0<x<1，0≤y，0≤z，且0<y+z<2；0<x’<1，0≤y’，0≤z’且0<y’+z’<2。一种所述的双通道拓扑绝缘体结构的制备方法，包括：在分子束外延反应腔体中提供所述绝缘基底；在具有第一温度的所述绝缘基底表面通过分子束外延生长所述第一拓扑绝缘体量子阱薄膜；在具有第二温度的所述第一拓扑绝缘体量子阱薄膜表面通过分子束外延生长所述绝缘间隔层；以及在具有第三温度的所述绝缘间隔层表面通过分子束外延生长所述第二拓扑绝缘体量子阱薄膜。在其中一个实施例中，所述第一温度为150℃至250℃，所述第二温度为50℃至350℃，所述第三温度为150℃至250℃。一种产生量子自旋霍尔效应的方法，包括：提供所述的双通道拓扑绝缘体结构；以及对所述双通道拓扑绝缘体结构施加场电压和介于第一矫顽场和所述第二矫顽场之间的磁场。本专利技术通过绝缘间隔层将两层拓扑绝缘体量子阱薄膜分隔开，形成双通道的拓扑绝缘体结构，双通道的拓扑绝缘体结构为一个整体，使器件更加趋于小型化与集成化。每个拓扑绝缘体量子阱薄膜实现单独控制，从而作为独立的电学元件。当两层拓扑绝缘体量子阱薄膜的磁性掺杂不同时，甚至能够实现量子自旋霍尔效应。附图说明图1为本专利技术一实施例的Sb2Te3晶格结构示意图，其中(a)为立体图，(b)为俯视图，(c)为[110]方向的晶格结构图，(d)为[210]方向的晶格结构图；图2为本专利技术一实施例的CdSe晶格结构示意图，其中(a)为立体图，(b)为俯视图，(c)为[110]方向的晶格结构图，(d)为[210]方向的晶格结构图；图3为本专利技术一实施例的Sb2Te3和CdSe的晶格匹配结构示意图，其中(a)为主视图，(b)为侧视图；图4为本专利技术一实施例的MBE反应腔体结构示意图；图5为本专利技术一实施例的单层、两层和三层磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜的多通道拓扑绝缘体结构示意图；图6为本专利技术一实施例的电学器件的结构示意图；图7为本专利技术一实施例的不同层数的多通道拓扑绝缘体的表面形貌图和RHEED条纹图，其中(a)(b)(c)分别为仅一层磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜、覆盖约1nm的CdSe的磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜、两层磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜中间夹一层CdSe薄膜的拓扑绝缘体的表面形貌图。(d)(e)(f)则分别为(a)(b)(c)对应的RHEED条纹；图8为本专利技术一实施例的多通道拓扑绝缘体的TEM图，其中(a)为4层磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜和3层CdSe间隔层形成的超晶格结构，(b)为(a)局部放大图；图9为本专利技术一实施例的多通道拓扑绝缘体结构的XRD图；图10为本专利技术一实施例的图5对应的多通道拓扑绝缘体在不同背栅极电压下的霍尔曲线图，其中(a)为单层磁性掺杂拓扑绝缘体量子阱薄膜，(b)为两层相同矫顽场的磁性掺本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双通道拓扑绝缘体结构，其特征在于，包括：绝缘基底、第一拓扑绝缘体量子阱薄膜、绝缘间隔层和第二拓扑绝缘体量子阱薄膜，所述第一拓扑绝缘体量子阱薄膜、所述绝缘间隔层和所述第二拓扑绝缘体量子阱薄膜在所述绝缘基底上依次叠加，所述绝缘间隔层将所述第一拓扑绝缘体量子阱薄膜和所述第二拓扑绝缘体量子阱薄膜间隔。

【技术特征摘要】
1.一种双通道拓扑绝缘体结构，其特征在于，包括：绝缘基底、第一拓扑绝缘体量子阱薄膜、绝缘间隔层和第二拓扑绝缘体量子阱薄膜，所述第一拓扑绝缘体量子阱薄膜、所述绝缘间隔层和所述第二拓扑绝缘体量子阱薄膜在所述绝缘基底上依次叠加，所述绝缘间隔层将所述第一拓扑绝缘体量子阱薄膜和所述第二拓扑绝缘体量子阱薄膜间隔。2.根据权利要求1所述的双通道拓扑绝缘体结构，其特征在于，所述第一拓扑绝缘体量子阱薄膜、所述绝缘间隔层和所述第二拓扑绝缘体量子阱薄膜的晶格匹配，共同形成一异质结结构。3.根据权利要求1所述的双通道拓扑绝缘体结构，其特征在于，所述第一拓扑绝缘体量子阱薄膜具有第一晶格常数，所述绝缘间隔层具有第二晶格常数，所述第二拓扑绝缘体量子阱薄膜具有第三晶格常数，所述第一晶格常数和所述第二晶格常数的比值为1:1.1～1.1:1，所述第二晶格常数和所述第三晶格常数的比值为1:1.1～1.1:1。4.根据权利要求1所述的双通道拓扑绝缘体结构，其特征在于，所述绝缘间隔层分子束外延生长在所述第一拓扑绝缘体量子阱薄膜表面，所述绝缘间隔层的分子束外延生长温度和所述第一拓扑绝缘体量子阱薄膜的分子束外延生长温度之间的差异，所述绝缘间隔层的分子束外延生长温度和所述第二拓扑绝缘体量子阱薄膜的分子束外延生长温度之间的差异，以及所述第一拓扑绝缘体量子阱薄膜和所述第二拓扑绝缘体量子阱薄膜的分子束外延生长温度之间的差异均小于或等于100℃。5.根据权利要求1所述的双通道拓扑绝缘体结构，其特征在于，所述绝缘间隔层包括纤锌矿结构的CdSe、闪锌矿结构的ZnTe、闪锌矿结构的CdSe、闪锌矿结构的CdTe、闪锌矿结构的HgSe和闪锌矿结构的HgTe中的一种。6.根据权利要求1所述的双通道拓扑绝缘体结构，其特征在于，还包括叠加在所述第二拓扑绝缘体量子阱薄膜上的绝缘保护层。7.根据权利要求6所述的双通道拓扑绝缘体结构，其特征在于，所述绝缘保护层包括纤锌矿结构的CdSe、闪锌矿结构的ZnTe、闪锌矿结构的CdSe、闪锌矿结构的CdTe、闪锌矿结构的HgSe和闪锌矿结构的HgTe中的一种。8.根据权利要求1至7中任一项所述的双通道拓扑绝缘体结构，其特征在于，所述第一拓扑绝缘体量子阱薄膜具有第一矫顽场，所述第二拓扑绝缘体量子阱薄膜具有第二矫...

【专利技术属性】
技术研发人员：何珂，姜高源，薛其坤，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11