齐世飞教授研究发现在拓扑绝缘体Bi2Se3上掺杂Mn同时施加应力可以调控体系的铁磁性及表面能隙。该成果于7月4日以“Strain-modulated ferromagnetism and band gap of Mn doped Bi2Se3” 为题发表在Scientific Reports上。
量子反常霍尔效应是在零外磁场条件下产生的量子霍尔效应。近三年来，国内外的多个实验组在磁性掺杂拓扑绝缘体中（比如将Cr/V掺入Sb2Te3）已经观测到该效应，但都要求极低的实验实现温度（～30mK），这一现状大大限制了该效应在新型电子器件上的潜在应用。主要瓶颈源于高浓度磁性元素掺杂导致的较弱的铁磁性和拓扑绝缘体本征窄带隙的进一步大幅减小。在各种拓扑绝缘体材料中，Bi2Se3是公认的在自旋电子学方面具有研究价值的材料，具备第二代三维拓扑绝缘体所有的优点，最重要的一点是具有大的带隙，受到了越来越多的关注。与此同时，实验上已经能够通过生长外延束的方法长出了高质量的Mn掺杂Bi2Se3薄膜，观察到了基态铁磁性，并且通过ARPES直接观测到了样品的表面态在狄拉克点处打开了能隙。在此基础上，齐世飞教授通过详细的第一性原理计算研究发现，施加适当强度的面外应拉力不仅可以增强Mn掺杂Bi2Se3的铁磁性磁性，而且可以增大该体系的表面带隙，进一步的拓扑性质计算表明这样的体系可以实现高温量子反常霍尔效应。
本研究提出的在Mn掺杂Bi2Se3薄膜上施加应变来实现量子反常霍尔效应的方案是一种新的调控手段，为实验实现高温量子反常霍尔效应提供了新的参考方案。该发现为基于量子反常霍尔效应的低能耗/无能耗电子元器件的实现提供了基础。
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| 图1：Mn掺杂拓扑绝缘体Bi2Se3的能带结构随应变的变化 :（a）是纯净的Bi2Se3能带图，（b)是没有施加应变的能带图，(c),(d)是在面外施加2%,4%,6%拉伸应变作用下的能带图和贝利曲率图，（f）是在面内施加6%拉伸应变作用下的能带图。 |
论文链接：http://www.nature.com/articles/srep29161
