[发明专利]具有量子化反常霍尔效应的材料和由其形成的霍尔器件

说明书

技术领域

本发明总体上涉及凝聚态物理领域，更特别地，涉及一种能够在较高温 度下表现出量子化反常霍尔效应的材料、以及利用该材料形成的霍尔器件。

背景技术

霍尔(EdwinH.Hall)在1879年发现当将一个通有纵向电流的导体放 置在一个垂直磁场中时，会在电流的横向方向上观测到一个电压值，这种现 象被后人称为霍尔效应(Halleffect，HE)(参见非专利文献1)。现在人们 知道，霍尔效应是电子在磁场中运动时因受到洛伦兹力而发生偏转，从而在 垂直于电流方向的两侧形成电荷积累，以形成横向电压，使后来的电子受到 一个电场力与洛伦兹力平衡之后，最终达到一个稳定状态的效应。霍尔效应 是凝聚态物理中的一个基本现象，它广泛用于确定样品的载流子类型、载流 子密度以及测量磁场强度等。继发现霍尔效应之后，霍尔在1880年又在铁 磁导体中发现了更强的“电推挤效应(pressingelectricityeffect)”，这便是后 来所谓的反常霍尔效应(anomalousHalleffect，AHE)。随后，在十九世纪 末，由俄国圣匹兹堡伊沃弗研究所的弗莱舍教授研究组在半导体中发现了所 谓的自旋霍尔效应(spinHalleffect，SHE)。

1980年，德国科学家克劳斯·冯·克利青(KlausvonKlitzing)教授发现， 在极低的温度下(1.5K)，在平行于二维电子气平面的方向上加上强磁场之 后，测量得到的霍尔电导是精确量子化的，并且呈现出非常宽的台阶状平台。 测量得到的霍尔电导是两个物理学当中基本常量的比值(e²/h＝ 1/25812.807572)的整数倍，并且这个值是极其精确的，与样品的几何状况 以及实验的微观细节没有关系。这是凝聚态物理当中的一个重大的发现，这 种效应被命名为“整数量子霍尔效应”(integerquantumHalleffect，IQHE) (参见非专利文献2)。之后，美籍华裔物理学家崔琦(D.C.Tsui)和美国 物理学家施特默(H.L.Stormer)在更强磁场下研究量子霍尔效应时发现了 分数量子霍尔效应(fractionalquantumHalleffect,FQHE)(参见非专利文献 3)。这使得人们有理由认为，对于反常霍尔效应以及自旋霍尔效应都应该有 其对应的量子化形式。在2006年，由美国斯坦福大学美籍华裔物理学家张 首晟研究组理论研究了CdTe/HgTe/CdTe的量子阱结构，发现了在其中可能 实现“量子自旋霍尔效应”(quantumspinHalleffect,QSHE)(参见非专利文 献4)。次年，德国维尔茨堡大学的Molenkamp组在(Hg,Cd)Te/HgTe/(Hg,Cd)Te 量子阱体系中实验观察到了量子自旋霍尔效应(参见非专利文献5)。2010 年，中国科学院物理研究所的方忠、戴希以及斯坦福大学的张首晟等发现， 通过在3～5QL(五原子层，QuintupleLayer)的Bi₂Se₃族拓扑绝缘体中进行 磁性掺杂，通过栅极电压调控的方式可以产生“量子反常霍尔效应”。通过 不懈努力，由清华大学薛其坤教授领导的联合团队终于在2013年初在5QL Cr掺杂的(Bi_xSb_1-x)₂Te₃量子阱薄膜中成功观察到了量子反常霍尔效应(参见 非专利文献6)。整数量子霍尔效应可以用作电阻标准以及长度标准，而分数 量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、量子反常霍尔效应则可以用于自旋电子 器件、拓扑量子计算等领域。其中，量子反常霍尔效应最具有应用前景，它 相当于不需要强磁场的整数量子霍尔效应，使得对于整数量子霍尔的应用当 中去掉了需要维持强磁场的要求。