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摘 要

拓扑绝缘体是一种具有全新量子物态的物质，可以说是近年来凝聚态物理学最重要的研究成果之一，已经取得了不少成果。本论文的研究课题是MnBi₄Te₇材料生长和样品磁性表征。作为MnBi_2nTe_{3n 1}类拓扑绝缘体家族中一员，MnBi₄Te₇是实现量子反常霍尔效应的理想材料平台之一，也具有一般拓扑绝缘体的基本特性。本文在对拓扑绝缘体最大的应用--量子反常霍尔效应及其研究现状进行阐述后，将对MnBi₄Te₇的概要和性质进行简介，然后将介绍该材料的多种制备方法和表征方法，并阐明自己的实验计划，包括实验的步骤和预期目标。在文章的最后对全文进行总结。

关键词：量子反常霍尔效应 拓扑绝缘体 磁性表征 材料生长 MnBi₄Te₇

Abstract

Topological insulator is a kind of matter with new quantum state. It can be said that it is one of the most important research results in condensed matter physics in recent years, and has made a lot of achievements. The research topic of this paper is the growth of mnbi4te7 and the magnetic characterization of samples. As a member of mnbi2nte3n 1 topological insulator family, mnbi4te7 is one of the ideal material platforms to realize quantum anomalous Hall effect, and also has the basic characteristics of general topological insulator. In this paper, after expounding the most important application of topological insulator, quantum anomalous Hall effect and its research status, we will briefly introduce the outline and properties of mnbi4te7, then introduce various preparation methods and characterization methods of the material, and clarify our own experimental plan, including experimental steps and expected objectives. At the end of the article, it summarizes the whole paper.

Key words: quantum anomalous Hall effect；topological insulator magnetic characterization； material growth； MnBi₄Te₇

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景 1

1.1.1 霍尔效应 1

1.1.2反常霍尔效应 1

1.1.3量子霍尔效应 2

1.1.4量子反常霍尔效应 4

1.1.5 量子反常霍尔效应的研究现状 5

第二章 MnBi_2nTe_{3n 1}类拓扑绝缘体介绍 7

2.1简介 7

2.2.材料性质 7

2.3 MnBi₄Te₇ 的基本性质 8

第三章MnBi₄Te₇的制备方法 10

3.1 自通法 10

3.2助熔剂法 10

3.3 分子束外延生长法 11

第四章 MnBi₄Te₇单晶表征方法 13

4.1 X光成分分析 13

4.2 磁性分析 14

4.3传输属性 16

第五章 实验制备与表征过程 18

5.1实验制备设计 18

5.2实验表征设计 18

5.3实验预期成果 18

第六章 总结与展望 20

参考文献 21

致谢 24

第一章 绪论

1.1课题研究背景

随着凝聚态物理的发展，拓扑绝缘体材料逐渐进入人门的视野。因为其独特的组成结构和奇特的性质，拓扑绝缘体材料是实现量子反常霍尔效应的良好材料平台。作为其最大的应用，本文开头将先对这一类效应的发展，研究现状进行陈述。

1.1.1 霍尔效应

量子反常霍尔效应可以说是在最近几十年间，凝聚态物理所取得最重要的成果之一，它们的名称不禁让人联想到了耳熟能详的霍尔效应，但其三者之间有何联系，它们各自的内容又是什么，这个还是一个值得阐述的事情。

霍尔效应，是在1879年由美国物理学家E.H.Hall在金属的导电机制的研究实验中发现的。当半导体上有垂直于外磁场的电流通过时，半导体内的载流子会发生偏转，在垂直于电流和磁场的方向产生一附加电场，电势差随之在半导体的两端产生，称之为霍尔电势差，这就是霍尔效应^[1]。示意图如图一所示^[1]，其中Z轴为磁场方向；X轴为电流方向；A 平面与A^-平面为产生霍尔效应的垂直于电流和磁场的半导体表面，电势差在平面间产生。霍尔效应还可以用公式进行描述：其中U_H为霍尔电压；K_H为霍尔系数，与材料本身性质有关；I为电流强度；B为磁感应强度；d为材料的宽度。同时可以定义霍尔电阻为R_H=U_H/I=K_HB/d,字母含义同上。在定义霍尔电阻为R_H后，即可定义霍尔电阻率为ρ=R_HS/l=R_H l d/l=R_H d ，l为材料高度。

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