体绝缘 Bi2Se3 中拓扑狄拉克电子的表面传导
介观与纳米尺度物理
2012-06-05 v5 材料科学
强关联电子
摘要
新发现的三维强拓扑绝缘体（STI）表现出受拓扑保护的狄拉克表面态。尽管 STI 表面态已通过例如光电子能谱和扫描探针等技术进行了光谱学研究，但输运实验未能展示 STI 最根本的特征：在绝缘体体相中的拓扑表面上的双极性金属电子输运。在此我们表明，薄（<10 nm）、低掺杂 Bi2Se3（约10^17/cm3）晶体的表面之间存在强烈的静电耦合，栅电极可以完全移除体相载流子，并使两个表面同时穿过狄拉克点。我们观察到清晰的表面能带传导，具有线性的霍尔电阻率和明确的双极性场效应，以及电荷不均匀的最小电导率区域。狄拉克能带中的电荷无序理论很好地解释了最小电导率（每个表面 2 至 5 e^2/h）和残余（ puddle）载流子密度（0.4 x 10^12 cm^-2 至 4 x 10^12 cm^-2）的大小及其随无序强度的变化。从测得的载流子迁移率 320 cm^2/Vs 至 1,500 cm^2/Vs，推断出带电杂质密度为 0.5 x 10^13 cm^-2 至 2.3 x 10^13 cm^-2。它们与零栅压下测得的掺杂水平（1 x 10^13 cm^-2 至 3 x 10^13 cm^-2）量级相近，表明掺杂剂即为带电杂质。
引用
@article{arxiv.1105.1410,
title = {Surface conduction of topological Dirac electrons in bulk insulating Bi2Se3},
author = {Dohun Kim and Sungjae Cho and Nicholas P. Butch and Paul Syers and Kevin Kirshenbaum and Shaffique Adam and Johnpierre Paglione and Michael S. Fuhrer},
journal= {arXiv preprint arXiv:1105.1410},
year = {2012}
}
备注
The manuscript has been significantly revised with new data sets