[發(fā)明專利]具有量子化反常霍爾效應的材料和由其形成的霍爾器件

在審

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• 申請日: 2016-05-05
• 公開（公告）號: CN105702854A
• 公開（公告）日: 2016-06-22
• 發(fā)明（設計）人: 歐云波;郭建東
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: H01L43/10
• 分類號: H01L43/10;H01L43/06
• 代理公司: 北京市正見永申律師事務所 11497
• 代理人: 黃小臨;馮玉清

技術領域

本發(fā)明總體上涉及凝聚態(tài)物理領域，更特別地，涉及一種能夠在較高溫 度下表現(xiàn)出量子化反常霍爾效應的材料、以及利用該材料形成的霍爾器件。

背景技術

霍爾(EdwinH.Hall)在1879年發(fā)現(xiàn)當將一個通有縱向電流的導體放 置在一個垂直磁場中時，會在電流的橫向方向上觀測到一個電壓值，這種現(xiàn) 象被后人稱為霍爾效應(Halleffect，HE)(參見非專利文獻1)。現(xiàn)在人們 知道，霍爾效應是電子在磁場中運動時因受到洛倫茲力而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而在 垂直于電流方向的兩側(cè)形成電荷積累，以形成橫向電壓，使后來的電子受到 一個電場力與洛倫茲力平衡之后，最終達到一個穩(wěn)定狀態(tài)的效應。霍爾效應 是凝聚態(tài)物理中的一個基本現(xiàn)象，它廣泛用于確定樣品的載流子類型、載流 子密度以及測量磁場強度等。繼發(fā)現(xiàn)霍爾效應之后，霍爾在1880年又在鐵 磁導體中發(fā)現(xiàn)了更強的“電推擠效應(pressingelectricityeffect)”，這便是后 來所謂的反常霍爾效應(anomalousHalleffect，AHE)。隨后，在十九世紀 末，由俄國圣匹茲堡伊沃弗研究所的弗萊舍教授研究組在半導體中發(fā)現(xiàn)了所 謂的自旋霍爾效應(spinHalleffect，SHE)。

1980年，德國科學家克勞斯·馮·克利青(KlausvonKlitzing)教授發(fā)現(xiàn)， 在極低的溫度下(1.5K)，在平行于二維電子氣平面的方向上加上強磁場之 后，測量得到的霍爾電導是精確量子化的，并且呈現(xiàn)出非常寬的臺階狀平臺。 測量得到的霍爾電導是兩個物理學當中基本常量的比值(e²/h＝ 1/25812.807572)的整數(shù)倍，并且這個值是極其精確的，與樣品的幾何狀況 以及實驗的微觀細節(jié)沒有關系。這是凝聚態(tài)物理當中的一個重大的發(fā)現(xiàn)，這 種效應被命名為“整數(shù)量子霍爾效應”(integerquantumHalleffect，IQHE) (參見非專利文獻2)。之后，美籍華裔物理學家崔琦(D.C.Tsui)和美國 物理學家施特默(H.L.Stormer)在更強磁場下研究量子霍爾效應時發(fā)現(xiàn)了 分數(shù)量子霍爾效應(fractionalquantumHalleffect,FQHE)(參見非專利文獻 3)。這使得人們有理由認為，對于反常霍爾效應以及自旋霍爾效應都應該有 其對應的量子化形式。在2006年，由美國斯坦福大學美籍華裔物理學家張 首晟研究組理論研究了CdTe/HgTe/CdTe的量子阱結(jié)構，發(fā)現(xiàn)了在其中可能 實現(xiàn)“量子自旋霍爾效應”(quantumspinHalleffect,QSHE)(參見非專利文 獻4)。次年，德國維爾茨堡大學的Molenkamp組在(Hg,Cd)Te/HgTe/(Hg,Cd)Te 量子阱體系中實驗觀察到了量子自旋霍爾效應(參見非專利文獻5)。2010 年，中國科學院物理研究所的方忠、戴希以及斯坦福大學的張首晟等發(fā)現(xiàn)， 通過在3～5QL(五原子層，QuintupleLayer)的Bi₂Se₃族拓撲絕緣體中進行 磁性摻雜，通過柵極電壓調(diào)控的方式可以產(chǎn)生“量子反常霍爾效應”。通過 不懈努力，由清華大學薛其坤教授領導的聯(lián)合團隊終于在2013年初在5QL Cr摻雜的(Bi_xSb_1-x)₂Te₃量子阱薄膜中成功觀察到了量子反常霍爾效應(參見 非專利文獻6)。整數(shù)量子霍爾效應可以用作電阻標準以及長度標準，而分數(shù) 量子霍爾效應、量子自旋霍爾效應、量子反常霍爾效應則可以用于自旋電子 器件、拓撲量子計算等領域。其中，量子反常霍爾效應最具有應用前景，它 相當于不需要強磁場的整數(shù)量子霍爾效應，使得對于整數(shù)量子霍爾的應用當 中去掉了需要維持強磁場的要求。