本征掺杂 Bi$_2$Se$_3$ 的体导电态

由于具有较大的带隙和负责拓扑表面态的单个 Dirac 锥，Bi$_2$Se$_3$ 被广泛视为典型的 3D 拓扑绝缘体。然而，本征结构缺陷会提供电子并使体材料导电，这阻碍了体材料的进一步应用。因此，控制这些缺陷对未来技术应用具有重要意义，尽管过往文献侧重于向混合物中添加外部掺杂元素，但对未掺杂 Bi$_2$Se$_3$ 的完整研究仍然缺失。在本工作中，我们使用自助熔剂法获得了在相图上该技术可用的整个浓度范围内的高质量 Bi$_2$Se$_3$ 单晶。通过将基本结构表征与电阻率、Hall 效应和 Shubnikov-de Haas (SdH) 量子振荡测量相结合，在电子密度从 $10^{17}$ cm$^{-3}$ 到 $10^{19}$ cm$^{-3}$（分别对应富 Se 到富 Bi 混合物）的样品中研究了这些杂质对体输运的影响，证明了向简并半导体区域的转变。我们发现，电子施主杂质（很可能是 Se 空位）不可避免地将费米能级向上移动至导带内 200 meV 处。其他杂质（如间隙 Bi 和 Se）被证明作为散射中心发挥了重要作用，特别是在低温下以及在 SdH 振荡的退相干中。本文解决了先前关于 Bi$_2$Se$_3$ 的开放性问题，如 30 K 以下电阻率的上翘、输运和量子振荡中不同的散射时间，以及额外低迁移率带的存在。本文概述的结果为助熔剂生长的 Bi$_2$Se$_3$ 单晶中的体导电态提供了简明的图景，从而能够更好地控制结构缺陷和电子性质。