范德华外延生长的 Bi$_2$Te$_3$ 纳米片中的表面-体态耦合

我们报道了一项关于三维拓扑绝缘体 Bi$_2$Te$_3$ 纳米片中相干表面-体态电子散射对量子输运影响的实验研究。该纳米片通过范德华外延在云母衬底上生长，并直接在生长衬底上制备了顶栅霍尔 bar 器件。器件薄层电阻的顶栅电压依赖测量表明，纳米片中的输运载流子为 n 型，且随着顶栅电压的降低，纳米片中的载流子密度减小。然而，迁移率却随着顶栅电压的降低而增加。我们证明，纳米片中这种迁移率随载流子密度降低而增加的现象源于体态到表面电子散射率的降低。我们在低温下进行了低场磁输运测量。测得的纳米片磁电导显示出典型的弱反局域化 (WAL) 特征。我们通过考虑表面-体态通道间电子散射来分析测量结果，并提取了退相干时间 ${\tau}_{\phi}$、顶表面和体态中电子的扩散系数 $D$，以及表面-体态散射时间 ${\tau}_{SB}$ 作为顶栅电压和温度的函数。研究发现，纳米片中的退相干主要源于小能量转移的电子-电子散射。研究还发现，${\tau}_{\phi}$/${\tau}_{SB}$ 的比值（表面-体态电子相干耦合的度量）随着栅压的降低或温度的升高而减小。我们证明，考虑 Bi$_2$Te$_3$ 纳米片中的表面-体态相干电子散射对于理解低温下的量子输运测量至关重要。