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二维铁磁材料对拓扑绝缘体电子结构的调控效应研究

批准号:
12074038
项目类别:
面上项目
资助金额:
62.0 万元
负责人:
常凯
学科分类:
凝聚态物质电子结构
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
常凯

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
近年来,各种有范德瓦尔斯型层状结构的二维铁磁材料不断涌现,在各种磁性异质结中展现了它们对低维量子材料电子结构强大的调控能力。这些材料的出现为高性能非易失性二维材料器件的设计和制造提供了全新的思路。然而,目前二维材料磁性异质结的制造大多仍依赖于机械剥离方法,其随机性大、产率低,难以推广到大规模应用中。针对该领域当前的机遇与挑战,本项目计划利用分子束外延生长方法制备二维铁磁材料与拓扑绝缘体的异质结,并利用超高真空低温/变温扫描隧道显微镜技术对拓扑绝缘体电子结构受到的调控效应进行精确的原位表征。同时,作为对于二维铁磁材料调控能力的验证,我们将结合电输运实验,进一步寻求通过异质结的构建来实现不依赖掺杂的本征量子反常霍尔效应的技术途径。本项目将开辟利用原位生长方法制备二维铁磁材料异质结的新道路,同时以原子级精确度厘清此类异质结中的调控机理,为推动基于二维材料的磁性调控技术的发展做出贡献。
英文摘要
The recently emerging two-dimensional ferromagnetic materials (2DFM) with van der Waals layered structures have shown their powerful tuning effect to the electronic structures of low-dimensional quantum materials. The appearance of these materials provides novel routes for the design and fabrication of high-performance non-volatile 2D-material devices. However, the construction of 2DFM heterostructures is still largely relying on mechanical exfoliation methods. As these methods are highly random and extremely slow, it is difficult to utilize them in large-scale applications. Based on the opportunities and challenges in this field, in this project, we plan to grow the 2DFM/TI heterostructures with molecular beam epitaxy method, and precisely characterize the tuning effect to the electronic structure of TI by in situ low/variable-temperature scanning tunneling microscopy. Besides, as a proof to the tuning effect of 2DFM, we will also work on pursuing the route towards intrinsic quantum anomalous Hall effect, which does not require any doping, by integrating electrical transport measurements into our studies. This project will open a new pathway of fabricating 2DFM heterostructures by in situ growth methods, and reveal the mechanism of tuning effect in these heterostructures in atomic precision, thereby contribute to the development of magnetic tuning technologies based on 2D materials.
量子反常霍尔绝缘体可在零磁场下实现量子化霍尔电阻,在拓扑量子计算、低温低功耗集成电路、精密电学计量等领域有重要的潜在应用价值。本项目主要研究内容为结合分子束外延和机械解离方法,制备二维磁性材料与量子反常霍尔绝缘体的异质结,并借助扫描隧道显微学、电输运和光学表征手段,探索通过界面调控实现量子反常霍尔态增强的途径。该项目的主要成果如下:(1)利用X射线磁圆二色性表征,发现单层CrCl3是一种具有2D-XY铁磁性的二维磁性材料,为研究二维自旋体系提供了良好的实验平台。(2)在发展分子数外延实验技术的过程中,开发了一套反射式高能电子衍射图样的实时模拟技术,利用裂解蒸发源实现了单层硒化物超导薄膜的化学配比束流生长。(3)厘清了磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4中磁结构在外磁场下变化和反常霍尔效应调控的机理。(4)制备了Cr/V掺杂的Bi2(Sb,Te)3量子反常霍尔绝缘体和MnPS3、NiPS3等二维磁性材料的异质结和器件,并观察到了界面调控效应。此外,本项目在对IV-VI族拓扑晶体绝缘体的研究过程中,还产生了一系列成果,并在Rev. Mod. Phys.上发表综述论文对该领域的进展进行回顾总结。本项目的成果为未来进一步改善量子反常霍尔效应的量子化电阻条件、将量子反常霍尔材料推向应用打下良好基础。项目组共发表SCI论文11篇,其中项目组成员以一作/通讯作者身份发表的7篇。项目负责人在国际学术会议上做邀请报告5次。项目团队出站博士后2人,招收6名博士生。
基于二维半导体面内异质结构建拓扑量子计算器件的实验探索
  • 批准号:
    92165104
  • 项目类别:
    重大研究计划
  • 资助金额:
    79.0万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    常凯
  • 依托单位:
国内基金
海外基金