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量子反常霍尔效应是一种由材料自发磁化诱导的、不需要外加磁场就能实现的量子霍尔效应。尽管反常霍尔效应的发现距今已有130多年,但其量子化一直未能实现。由于拓扑绝缘体奇特的能带拓扑结构,理论预言这一效应可能存在于铁磁性的拓扑绝缘体薄膜中。在前期工作中我们实验室获得了具有铁磁绝缘体相且化学势精确可调的磁性拓扑绝缘体薄膜,并对实现量子反常霍尔效应所需的各种必要条件进行了研究,但实验上测得的反常霍尔电阻远低于25.8千欧的量子化数值。在本论文中,我们详细地研究了Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体薄膜的分子束外延(MBE)生长及其物理性质,尤其对理论模型无法预测的各种实验细节进行了系统探索,最终在实验上观测到量子反常霍尔效应。论文的主要研究成果如下:(1)结合角分辨光电子能谱(ARPES)、原子力显微镜(AFM)和输运等技术,对SrTiO3(111)衬底的处理和表面形貌、Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3薄膜的组分和能带结构、薄膜表面覆盖层的结构和性质以及它们对反常霍尔效应的影响进行了详细研究。通过一系列调控和优化,我们最终在无覆盖层的5 QL Cr0.15(Bi0.1Sb0.9)1.85Te3磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜中观测到了零磁场下25.8千欧的反常霍尔电阻,且其在一定栅极电压范围内保持量子化数值不变。与此同时,纵向电阻发生显著的下降,并在强磁场作用下迅速消失,消失过程不伴随任何量子相变的发生。这些结果标志着量子反常霍尔效应的实现。(2)系统研究了量子反常霍尔效应对磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜厚度的依赖关系。发现Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3薄膜在层厚降至3 QL时发生从量子反常霍尔绝缘体到常规绝缘体的转变,此相变是由于拓扑绝缘体上下两个狄拉克(Dirac)型表面态杂化产生的能隙超过铁磁交换能隙导致的。我们还观测到,随着薄膜厚度增加,电子的退局域化导致反常霍尔电阻逐渐偏离量子化平台。(3)系统研究了碳化硅外延的石墨烯表面生长Sb2Te3薄膜的MBE生长和能带结构。由于Sb2Te3薄膜和石墨烯呈√3×√330°的外延生长关系,我们通过ARPES观测到石墨烯在其布里渊区K点处的Dirac锥形能带被“折叠”到Sb2Te3薄膜布里渊区的Γ点,与Sb2Te3的表面态交叠,造成Sb2Te3与石墨烯电子结构的耦合。这个结果意味着通过磁性掺杂在Sb2Te3引入铁磁性将有可能同时破坏石墨烯的时间反演对称性,从而实现量子反常霍尔效应。