SmB6薄膜和SmB6/YIG薄膜异质结的制备与表征

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近几年来,拓扑绝缘体在凝聚态物理领域掀起了研究热潮。拓扑绝缘体这类新奇的量子物质,由于自旋轨道耦合引起能带翻转,使得体波函数和真空介质的界面处能隙闭合。所以其体态表现为有能隙的绝缘态,而表面态则表现为无能隙的金属态。电子能有序无阻碍的通过拓扑绝缘体的表面通道,不易受非磁性杂质和缺陷的影响。这种高迁移率和低能量耗散的输运性质,在基础研究、自旋电子学、量子计算等领域具有巨大的科学研究价值和潜在的应用价值。最近理论研究认为有强自旋轨道耦合的近藤绝缘体有可能产生拓扑保护的表面态,形成拓扑近藤绝缘体。SmB6是第一个理论预言的拓扑近藤绝缘体材料,其中Sm原子的4f电子轨道非常局域,具有强电子关联,表现为局域磁性。在近藤温度下,5d轨道电子和局域的4f电子相互耦合,形成准束缚态,屏蔽4f电子的局域磁性,发生了近藤效应,5d轨道电子和局域的4f电子杂化,使得SmB6成为拓扑近藤绝缘体。国内外的研究工作者对SmB6研究展开了一系列的工作,大都是在块状单晶SmB6上完成的。相比于块状材料,薄膜材料具有较大的比表面积和容易实现器件集成等优点,因此制备高质量的SmB6薄膜具有重要的研究意义。与块状SmB6大量研究相比,SmB6薄膜生长和表征等工作开展得还很少。本论文在充分调研SmB6研究现状的基础上,使用脉冲激光沉积技术,选择合适条件制备了高质量的SmB6薄膜,并借助多种表征手段对薄膜进行测量分析。其内容主要分为两部分,具体工作和结论如下:(1)以MgO为基片,使用脉冲激光沉积设备在不同温度下生长SmB6薄膜,生长出了(100)晶向的结晶良好的SmB6薄膜。通过表征分析,所生长的SmB6薄膜具有以下性质:结构与形貌:生长温度为700℃时,SmB6薄膜样品结晶最好,其电阻率和表面粗糙度最小。电输运:我们利用PPMS研究了SmB6薄膜在低温下的输运,以700℃样品作为研究对象,观察到了电阻随着温度降低而出现金属到绝缘体的相变。SmB6薄膜的电阻随着温度降低而逐渐增大,最后达到饱和,其饱和原因是在低温下SmB6薄膜体态变为绝缘态,饱和电阻取决于拓扑的表面态。(2)利用脉冲激光沉积设备制备出了 YIG/SmB6薄膜异质结,并利用多种手段对其物理性质进行表征,然后利用自旋泵浦效应,研究了 YIG/SmB6薄膜异质结自旋流产生的情况。在此过程中,我们检测到样品的YIG层的铁磁共振信号,然而却未在SmB6表面检测到自旋泵浦电压信号。其中铁磁共振的吸收峰位置发生移动,很可能是由于YIG/SmB6界面的反应产生绝缘层,阻碍了自旋流向SmB6中扩散。为防止YIG和SmB6界面发生反应,在其界面处沉积2nm的Au,仍未检测到自旋泵浦的信号,其原因需要我们进一步的探究。
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