JPhysD编辑优选：基于Cr掺杂的Bi2Te3拓扑绝缘体薄膜的高灵敏度反常霍尔传感器

Jiai Ning, Yafei Zhao, Zhendong Chen, Yizhe sun, Qinwu Gao, Yequan Chen, Moorthi Kanagaraj, Junran Zhang, Liang He

通讯作者：

• 何亮 南京大学
• 赵亚飞 南京大学

本工作主要采用分子束外延生长技术，制备出Cr掺杂的Bi2Te3拓扑绝缘体薄膜。通过调控Cr的掺杂浓度获得具有不同Cr含量的CrxBi2-xTe3磁性拓扑绝缘体薄膜。通过等离子反应耦合刻蚀，将该薄膜刻蚀出标准霍尔bar形状。通过X射线衍射仪表征出不同Cr掺杂浓度下的CrxBi2-xTe3样品中并没有出现由于掺杂可能会导致的第二相或者杂质相(图1)。通过低温电输运测试对制备的反常霍尔传感器进行其电磁输运特性表征。基于CrxBi2-xTe3反常霍尔效应传感器的霍尔电阻呈现出显著的磁滞回线形状 (图2)，表明CrxBi2-xTe3薄膜中具有长程磁有序。并且通过横向磁阻呈现出典型的蝴蝶形状 (图 3）进一步说明了Cr的掺杂为Bi2Te3薄膜引入了磁性。通过反常霍尔效应以及Arrott 拟合得到CrxBi2-xTe3薄膜样品的居里温度。当Cr的掺杂浓度x=0.2时，居里温度可达到50 K。对基于CrxBi2-xTe3反常霍尔效应传感器的灵敏度进行分析(图4)。Cr的引入会为Bi2Te3引入磁性，伴随着反常霍效应的增强。然而，当Cr的掺杂量超过x = 0.09时，由于间隙位置的Cr和取代Bi位置的Cr会发生反铁磁耦合，从而削弱了磁滞回线的矩阵度，导致灵敏度在较大掺杂量下的削弱。本工作通过优化Cr的掺杂浓度，在x = 0.09时，获得最大灵敏度为6625 Ω/T，并且当温度为20K时，其灵敏度仍然可以保持在4082 Ω/T。

基于霍尔效应，霍尔传感器作为磁力计的重要组成部分，广泛应用于汽车、船舶以及消费电子等领域。不同于由洛伦兹力产生的霍尔效应，反常霍尔效应(AHE)则是一种在铁磁材料中由于自旋极化载流子的自旋轨道相互作用而产生。反常霍尔效应的出现带来了一种新型的低功耗霍尔传感器-反常霍尔效应传感器。

由于反常霍尔效应传感器的灵敏度主要依赖于材料中强的反常霍尔效应，因此，具有量子化反常霍尔效应的磁性拓扑绝缘体成为了研究高灵敏度反常霍尔传感器的理想材料之一。基于此，本工作通过分子束外延生长技术制备出Cr掺杂Bi2Te3磁性拓扑绝缘体薄膜。通过优化Cr的掺杂浓度，获得了基于CrxBi2-xTe3反常霍尔效应传感器的最大灵敏度可6625Ω/T，这对基于磁性拓扑绝缘体传感器的研究和应用打下了基础。

作者介绍

何亮 教授