Järndopning av den topologiska isolatorn Sb ₂ Te ₃ resulterar i användbara elektroniska och magnetiska egenskaper, kvantifieras i en nyligen genomförd FLEET -studie vid University of Wollongong.

Forskarna studerade magneto-transportegenskaperna hos en järn-dopad topologisk isolator (Fe – Sb ₂ Te ₃ ).

Efter att materialet dopats genom tillsats av järn, dess elektroniska struktur förändras avsevärt:flera svarsfrekvenser dyker upp, i motsats till den enda frekvensen som detekteras för Sb ₂ Te ₃ i sin rena form, och bärartäthet och rörlighet reduceras.

"Detta förbättrade förståelsen av dopningens effekter på den topologiska isolatorn Sb ₂ Te ₃ är avgörande för att informera om framtida möjlig användning inom lågenergielektronik, "förklarar projektledaren Xiaolin Wang.

Topologiska isolatorer (TI) är nya material som varken är elektriska ledare, inte heller elektriska isolatorer. Istället, en topologisk isolator är en isolator i sitt inre, men leder längs kanterna (liknar ett chokladblock inslaget i aluminiumfolie).

Topologiska isolatorers unika Dirac -yttillstånd är attraktiva för elektroniska applikationer och kan eventuellt vara en rad fascinerande och användbara fenomen.

I tredimensionella (3-D) topologiska isolatorer såsom Sb ₂ Te ₃ , den elektroniska ytstrukturen är intrasslad med den interna (bulk) elektroniska strukturen och, följaktligen, båda aspekterna måste förstås på grundläggande nivå.

Olösta frågor om effekten av metalldopning av Sb ₂ Te ₃ är relaterad till en av de mest fascinerande transportegenskaperna i topologiska isolatorer:den kvantanomala Hall -effekten (QAHE).

QAHE beskriver en effekt som en gång var "oväntad" (dvs. avvikande):kvantisering av tvärgående "Hall" -resistens, åtföljs av en betydande nedgång i längsgående motstånd.

"Det är ett område av stort intresse för teknologer, "förklarar Xiaolin Wang." De är intresserade av att använda denna betydande minskning av motstånd för att avsevärt minska strömförbrukningen i elektroniska enheter. "

Studien av magnetdopade topologiska isolatorer försöker hitta den optimala uppsättningen dopmedel, magnetisk ordning, och transportfastigheter för att:

• Uppnå en högre (nära omgivande) starttemperatur för QAHE
• Eliminera oönskade funktioner i den elektroniska strukturen som introduceras av övergångsmetalldopmedlet som är skadliga för prestanda.

Fynd i detalj

Denna nya studie rapporterar de elektroniska effekterna av dopning Sb ₂ Te ₃ enkristaller med järn, via magneto-transport experiment och kompletterande teoretiska beräkningar.

Dopning av den topologiska isolatorn Sb ₂ Te ₃ med järn resulterar i:

Materialets elektroniska bandstruktur förändras avsevärt

• Introduktion av flera Fermifickor, inklusive två som är starkt vinkelberoende
• Minskad bärartäthet och rörlighet.

Med hjälp av teoretiska beräkningar, forskarna identifierade en extra bulkhålsficka som introducerades i den elektroniska strukturen, härrör från kemisk förvrängning associerad med järndopmedlet.

Två vinkelberoende oscillationsfrekvenser identifierades, relaterad till två Fermi -fickor.

Dessutom, landskapet hos elektronerna energi-momentumförhållande förändras via järndopning vilket indikerar en rik komplexitet i den underliggande elektroniska strukturen.

Experimentellt, både dopade och odopade prover domineras av hålbärare; dock, järndopning minskar också bärartätheten och rörligheten.