三维拓扑绝缘体的光致反常霍尔效应电流及边缘自旋光电流研究

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三维拓扑绝缘体因具有特殊拓扑性质的表面态而在众多领域受到广泛关注。其中,在三维拓扑绝缘体的光电实验研究中,自旋极化电子和空穴各自对自旋光电流的贡献一直没有得到很好的区分,而区分自旋极化电子和空穴的作用及影响对自旋电子器件研制中载流子类型选择具有重要意义。此外,同样具有拓扑性质的三维拓扑绝缘体侧表面态的自旋输运研究还有待开展。针对以上问题,我们进行了相关光电实验研究。主要研究内容和结果如下:1、研究了三维拓扑绝缘体Bi2Te3的光致反常霍尔效应(PAHE)电流随光斑位置的变化。实验发现PAHE电流随光斑位置出现反号,并且其正负峰的幅值不相等。通过考虑自旋极化电子和空穴两种载流子同时存在并贡献方向相反的PAHE电流,成功地解释了实验现象。研究了样品厚度对PAHE电流的影响,实验结果表明PAHE电流随着样品厚度增加呈现出先增加后减小的变化规律,当厚度为7 QL(Quintuple Layer,QL)时,PAHE电流达到最大。实验分析表明,Bi2Te3样品的上表面对PAHE电流的贡献占据主导,并且上表面与下表面产生的PAHE电流方向相反,当样品厚度从3 QL逐渐增加到7 QL时,下表面吸收的圆偏振光逐渐减少,产生的PAHE电流减少,净PAHE电流增大,当样品厚度从7 QL继续增大时,净PAHE逐渐减小,其原因可能是体态产生的与上表面方向相反的PAHE电流增加。研究了衬底对PAHE电流的影响,实验结果及分析表明,在1064 nm激光照射下,Si衬底产生的自旋极化电子通过自旋注入会使得Bi2Te3的PAHE电流大幅提高。2、研究了三维拓扑绝缘体Bi2Te3边缘自旋光电流(HDPC)。实验发现,边缘HDPC具有随圆偏振光偏振状态、施加电压方向以及左右侧边缘的反转而反向的特征。实验分析表明,边缘HDPC的形成包含自旋极化电子的产生、积累和传导三个过程,其中侧表面态的存在使得发生横向偏转的自旋极化电子能够在侧边缘发生自旋积累,并且能通过其金属性侧表面进行高效传导。研究了样品厚度对HDPC的影响,实验发现,随着样品厚度增加,HDPC逐渐增大。实验分析表明自旋霍尔效应随样品厚度的增加而增大,进而使边缘自旋极化电子积累增多,最终使HDPC增大。此外,我们还在三维拓扑绝缘体Sb2Te3和半导体材料Si中观察到边缘HDPC,并对其做出了解释。
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