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摘 要

MnBi₂Te₄是一种近年来新发现的本征磁性拓扑绝缘体，对它的研究对于量子反常霍尔效应的实现和自旋量子器件的应用均有着重要意义，本文将从霍尔效应的研究发展开始讲述，并阐述磁性拓扑绝缘体与量子反常霍尔效应的实现之间的必然联系，之后以新型材料MnBi₂Te₄为例，详细介绍其制备方法、表征手段及输运性质的测量。目前比较常见的MnBi₂Te₄制备方法有分子束外延法和固相法，表征手段有x线衍射、能谱分析、电子显微、光谱分析等。输运性质的测量主要是找到奈尔温度并测试其在奈尔温度周围到室温下的导电性能。对于MnBi₂Te₄的制备，我们还做出了较新的实验方向预测——使用助熔剂法进行制备，表征与输运特性的测量则与之前的方法相近。

关键词：拓扑绝缘体 MnBi₂Te₄ 量子反常霍尔效应

Single crystal synthesis and transport measurement of intrinsic magnetic topological insulator MnBi₂Te₄

Abstract

MnBi₂Te₄ is a kind of intrinsic magnetic topological insulator newly discovered in recent years. The research on MnBi₂Te₄ is of great significance for the realization of quantum anomalous Hall effect and the application of spin quantum devices. we will start from the research and development of Hall effect, and expound the inevitable relationship between the realization of quantum anomalous Hall effect and magnetic topological insulator. Then, we will introduce the new material, Taking MnBi₂Te₄ as an example, the preparation methods, characterization methods and measurement of transport properties of MnBi₂Te₄ are introduced in detail. At present, the common preparation methods of MnBi₂Te₄ include molecular beam epitaxy and solid phase method, and the characterization methods include X-ray diffraction, energy spectrum analysis, electron microscopy, spectrum analysis, etc. The main transport property is to find the temperature and measure its conductivity from the temperature around to room temperature. For the preparation of MnBi₂Te₄, we also made a relatively new experimental direction prediction - using flux method to prepare, characterization and transport characteristics of the measurement is similar to the previous method.

Keyword：intrinsic magnetic topological insulator；MnBi₂Te₄；anomalous quantum hall effect

目录

第一章 霍尔效应的发展 1

1.1霍尔效应与反常霍尔效应 1

1.2霍尔效应的量子化 2

1.3自旋霍尔效应与量子自旋霍尔效应 3

1.4反常量子霍尔效应与拓扑绝缘体 5

第二章 MnBi2Te4单晶体 7

2.1 MnBi2Te4的研究背景 7

2.2 MnBi₂Te₄的结构 8

第三章 MnBi₂Te₄的制备方法 9

3.1分子束外延法^[45] 9

3.2固相反应法^[47] 9

第四章 表征手段与输运特性测量 11

4.1 MBE法合成MnBi2Te4薄膜的表征^[45] 11

4.2固相法合成MnBi₂Te₄单晶的表征^[47] 13

4.3 MnBi₂Te₄单晶的输运特性 18

第五章 助溶剂法制备MnBi₂Te₄的设想 20

5.1助熔剂法制备 20

5.2表征方式与输运特性的测量 20

第六章 总结与展望 22

参考文献 23

致谢 26

第一章 霍尔效应的发展

1.1霍尔效应与反常霍尔效应

1879年，美国物理学家艾德文霍尔（E.H. Hall）在导体中观测到了一奇异现象，当通上的电流方向与给金属施加的外磁场方向互相垂直时会得到一个同时垂直于电流与磁场方向的电势差，我们称之为霍尔效应，其主要原理是在磁场中运动的电子空穴对受到不同方向的洛伦兹力影响从而产生霍尔电压^[1][3]。凝聚态物理领域中霍尔效应具有广泛的应用，这是因为霍尔电压的大小直接与样品中的载流子浓度相关，这使得它成为针对金属和半导体物理中一个重要的研究手段。

在之后当霍尔在具有铁磁性的金属中做实验时发现即使没有附加磁场，也能在其中观测到霍尔效应，这种现象便被称为反常霍尔效应^[2]。通过大量的早期测验，科学家们总结出了霍尔电阻率(ρ_H)的方程式：

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