We show that a number of transport properties in topological insulator (TI) Bi2Se3 exhibit striking thickness-dependences over a range of up to five orders of thickness (3 nm - 170 μm). Volume carrier density decreased with thickness, presumably due to diffusion-limited formation of selenium vacancies. Mobility increased linearly with thickness in the thin film regime and saturated in the thick limit. The weak anti-localization effect was dominated by a single two-dimensional channel over two decades of thickness. The sublinear thickness-dependence of the phase coherence length suggests the presence of strong coupling between the surface and bulk states.
Topological insulators for high performance terahertz to infrared applications
Bi 2 Se 3族中的拓扑绝缘体在体相中具有能隙，并且具有由单个狄拉克锥组成的无能隙表面态。由于表面态引起的低频光吸收一般由精细结构常数决定。当这些三维拓扑绝缘体的厚度减小时，它们变成具有增强的吸收的准二维绝缘体。二维绝缘体可以是拓扑平凡的或非平凡的依赖于厚度，我们预测的光学吸收是更大的拓扑非平凡的情况下相比，平凡的情况。由于三维拓扑绝缘体表面态本质上是无带隙的，我们提出了它在宽带宽、高性能光探测中的潜在应用，覆盖从太赫兹到红外的宽光谱。当厚度减小到几个五层时，光电探测的性能可以显着增强，具有取决于厚度的宽可调带隙。
Identifying the origin of the non-monotonic thickness dependence of spin-orbit torques and interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction in a ferrimagnetic insulator heterostructure
Temperature evolution of magnetic phases near the thickness-dependent metal-insulator transition in La$_{1-x}$Sr$_x$MnO$_3$ thin films observed by XMCD
钙钛矿型锰氧化物由于具有庞磁电阻（CMR）和半金属性等优良的物理性质，被认为是自旋电子学的候选材料。然而，当厚度减小到几个单层（ML）时，它们的铁磁（FM）性质在薄膜中经常被抑制。为了研究磁性相如何在顺磁（PM）到FM相变边界附近演化，我们对La $_{1-x}$ Sr $_{x}$ MnO $_3$（LSMO，$x=0.4$）薄膜进行了随温度变化的X射线磁性圆二色性（XMCD）实验，该薄膜的厚度（8 ML）接近FM金属相和PM绝缘相之间的边界。通过利用XMCD的元素选择性，我们已经定量地估计了PM和超顺磁（SPM）相以及FM相作为温度的函数的分数。结果可以合理地描述基于微观相分离模型。
Thickness-dependent ferromagnetic metal to paramagnetic insulator transition in La$_{0.6}$Sr$_{0.4}$MnO$_3$ thin films studied by x-ray magnetic circular dichroism
金属过渡金属氧化物在临界厚度的几个单层（ML）上发生金属-绝缘体转变（MIT），但其驱动机制仍然存在争议。用X射线吸收光谱和X射线磁圆二色性研究了铁磁金属La $_{0.6}$ Sr $_{0.4}$ MnO $_3$的MIT随厚度的变化。当膜厚度在MIT的临界厚度（6 - 8 ML）上减小时，观察到铁磁信号逐渐减小并且伴随着顺磁信号的增加，而Mn价态朝向Mn $^{3+}$突然减小。这些观察结果表明，铁磁相逐渐和最有可能不均匀地变成顺磁相，两个阶段突然成为绝缘的临界厚度。
Growth dynamics and thickness-dependent electronic structure of topological insulator Bi2Te3 thin films on Si
利用实时反射高能电子衍射强度振荡建立了分子束外延Si（111）衬底上Bi 2 Te 3拓扑绝缘体薄膜的富Te生长动力学。原位角分辨光电子能谱（ARPES）、扫描隧道显微镜和非原位输运测量表明，未掺杂的Bi2Te3薄膜是一种本征的拓扑绝缘体，其费米能级只与金属表面态相交。在实验上，我们发现单狄拉克锥表面态的发展在两个五重层（2 QL）的厚度。从理论上讲，我们表明，从膜的两侧，这是由拓扑表面态波函数的穿透深度确定的表面态之间的相互作用，设置这个厚度下限。
Thickness-dependent magnon spin transport in antiferromagnetic insulators: Crossover from quasi-three-dimensional to quasi-two-dimensional regimes
Norwegian University of Science and Technology（挪威科技大学）；Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）；ENSTA, Institut Polytechnique de Paris（巴黎理工学院 ENSTA）
Transport properties of band engineered p-n heterostructures of epitaxial Bi$_2$Se$_3$/(Bi$_{1-x}$Sb$_x$)$_2$(Te$_{1-y}$Se$_y$)$_3$ topological insulators
在Bi基三维拓扑绝缘体材料中，寄生体掺杂的挑战仍然无处不在，特别是在通过分子束外延（MBE）制备样品时。在这里，我们提出了一种异质结构的外延BSTS生长的方法。薄的n型Bi $_2$ Se $_3$（BS）层被用作外延和静电种子，其显著地改善了样品性质的结晶和电子质量以及再现性。在具有p型（Bi $_{1-x}$ Sb $_x$）$_2$（Te $_{1-y}$ Se $_y$）$_3$（BSTS）的BS异质结构中，我们证明了仅通过调整相应层的厚度来调谐电子性质的固有带弯曲效应。弱反局域化的特点，在磁导的分析表明，随着BSTS厚度的增加，顶部和底部的导电层的分离。通过温度和门依赖的传输测量，我们表明，薄BS种子层可以完全耗尽内的异质结构，并证明通过背栅在整个样品厚度的带的静电调谐。
Thickness-Driven Quantum Anomalous Hall Phase Transition in Magnetic Topological Insulator Thin Films
磁性拓扑绝缘体（MTIs）中的量子化反常霍尔效应在拓扑量子物理和低功率电子学/自旋电子学应用中具有巨大的发展潜力。为了在零磁场下实现无耗散手性边缘传导，由对准的磁性掺杂剂产生的有效交换场需要足够大以产生特定的自旋子带配置。在这里，我们报告的厚度定制的量子反常霍尔（QAH）效应在铬掺杂（Bi，Sb）2 Te 3薄膜通过调整系统跨越二维（2D）的限制。除了与Chern数相关的金属-绝缘体QAH相变外，我们还证明了诱导杂化能隙在确定MTIs的基态中起着不可或缺的作用，即由于相当大的Van Vleck自旋磁化率而产生的自发磁化保证了厚样品中具有幺正标度律的零场QAH态，而在超薄膜中，霍尔电导的量子化只能借助于外磁场来实现。通过结构工程对拓扑和磁性的调制可以为追求基于QAH的新相图和功能提供有用的指导。
Spin Transport in Antiferromagnetic Insulators Mediated by Magnetic Correlations
我们报告了一个系统的研究自旋输运在反铁磁（AF）绝缘体具有广泛的有序温度范围。自旋电流动态注入从Y3 Fe 5 O 12（YIG）到各种AF绝缘体中的Pt/绝缘体/YIG三层。在AF绝缘体中观察到了强有力的长距离自旋输运，这与AF有序温度具有很强的相关性。我们发现一个惊人的线性关系之间的自旋衰减长度在AF和阻尼增强YIG，表明磁相关的AF绝缘体以及在AF/YIG接口的自旋输运在磁性绝缘体中的关键作用。
Intrinsic and extrinsic perturbations on the topological insulator Bi2Se3 surface states
利用密度泛函电子结构方法，研究了本征和非本征扰动对强拓扑绝缘体Bi $_2$ Se $_3$表面态Dirac锥的影响.我们认为原子弛豫，薄膜厚度作为内在和界面薄介电膜作为一个外在的源扰动的表面状态。我们发现原子弛豫对狄拉克锥的简并度没有影响，而薄膜厚度对表面态有相当大的影响，诱导一个间隙，随着薄膜厚度的减小而单调增加。我们认为两个绝缘基板BN和石英作为介电薄膜，并表明，表面终端石英钝化或不钝化起着至关重要的作用，在维护狄拉克锥简并，而BN是更惰性的TI表面状态。用一种简单的算法计算出相对于体原子的相对轨道贡献，并在此基础上证明了自旋-轨道耦合打开时体原子能带的反转.表面态的层投影电荷密度分布表明，这些态并不严格局限于表面.这些态的空间限制扩展到两到三个五重层，一个五重层由Bi和Se的五个原子层组成
Carrier Density and Thickness Dependent Proximity Effect in Doped Topological Insulator -- Metallic Ferromagnet Bilayers
利用磁导率研究了磁邻近效应对掺杂拓扑绝缘体表面态的影响。我们的双层由一层Fe $_7$ Se $_8$，这是一种金属亚铁磁体和一层Bi $_{0.8}$ Sb $_{1.2}$ Te $_{3}$，这是一种高度空穴掺杂的拓扑绝缘体。利用输运测量和修改后的Hikami-Larkin-Nagaoka模型，我们表明，铁磁体显着缩短表面态的有效相干长度，这表明在狄拉克点处打开了一个间隙。我们表明，磁感应间隙持续的表面状态，从磁铁分开的拓扑绝缘体层厚为170 [nm]。此外，发现间隙的大小与我们从反常霍尔效应中提取的磁化强度成正比。我们的结果给出了拓扑绝缘体/铁磁体双层膜中载流子密度、感生磁化强度和磁感应能隙之间的关系。这些信息对于拓扑绝缘体中磁相互作用的理论理解和这种双层的实际制造都是重要的，这是各种建议技术的基础，如自旋电子器件，远红外探测器等。
Axion Insulator State in Hundred-Nanometer-Thick Magnetic Topological Insulator Sandwich Heterostructures
Department of Physics, The Pennsylvania State University（宾夕法尼亚州立大学物理系）；Department of Physics, Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学物理系）；Materials Research Institute, The Pennsylvania State University（宾夕法尼亚州立大学材料研究所）
Tailoring Exchange Couplings in Magnetic Topological Insulator/Antiferromagnet Heterostructures
磁性拓扑绝缘体，如Cr掺杂的（Bi，Sb）2 Te 3，为实现多功能时间反演破磁物理提供了一个平台。通过在反铁磁CrSb中构建Néel有序异质结构和在Cr掺杂的（Bi，Sb）2 Te 3中构建磁拓扑有序异质结构，实现了可以通过人工结构工程定制的界面磁现象.通过故意的异质结构和超晶格的几何设计，我们证明了反铁磁交换耦合在操纵的拓扑表面大量狄拉克费米子的磁性。这项工作为拓扑绝缘体与反铁磁材料的结合提供了一个新的框架，并为无耗散拓扑反铁磁自旋电子学开辟了新的途径。
Spin-Hall Topological Hall Effect in Highly Tunable Pt/Ferrimagnetic-Insulator Bilayers
拓扑磁纹理，如skyrmions的电检测目前仅限于导电材料。虽然磁性绝缘体为Skyrmion技术提供了高速和低损耗的关键优势，但它们尚未被电探索。在这里，我们报告了一个突出的拓扑霍尔效应在Pt/Tm $_3$ Fe $_5$ O $_{12}$双层，其中原始的Tm $_3$ Fe $_5$ O $_{12}$外延膜的厚度下降到1.25单位电池允许调谐拓扑霍尔稳定性在很宽的范围内从200到465 K通过原子尺度的厚度控制。虽然Tm $_3$ Fe $_5$ O $_{12}$是绝缘的，我们证明了通过一种新的现象：“自旋霍尔拓扑霍尔效应”（SH-THE），其中界面自旋轨道扭矩允许自旋霍尔效应产生的自旋在Pt中经历独特的拓扑结构的底层skyrmions在Tm $_3$ Fe $_5$ O $_{12}$的拓扑磁纹理的检测。这种新颖的电检测现象为在未来的skyrmion技术中利用大家族的磁性绝缘体铺平了新的道路。
Probing Dirac Fermion Dynamics in Topological Insulator Bi$_2$Se$_3$ Films with Scanning Tunneling Microscope
利用扫描隧道显微镜和光谱学研究了拓扑绝缘体Bi $_2$ Se $_3$薄膜中狄拉克费米子的飞秒动力学.在二维极限下，体电子被量子化，量子化可以通过薄膜厚度控制。通过研究驻波（准粒子干涉图样）的空间衰减，直接测量了拓扑表面态电子的相位弛豫长度$l_ϕ$和非弹性散射寿命$τ$与能量和膜厚的关系.我们发现，$τ$表现出显着的$(E-E_F)^{-2}$能量依赖性，并增加与膜厚度。我们发现，所揭示的功能是典型的表面和体状态之间的电子-电子散射。
Scale-Invariant Dissipationless Chiral Transport in Magnetic Topological Insulators beyond the Two-Dimensional Limit
我们研究了毫米级（Cr0.12Bi0.26Sb0.62）2 Te 3薄膜中的量子反常霍尔效应（QAHE）和相关的手征输运。具有高的样品质量和强大的磁性在低温下，量子化霍尔电导的e2/h被发现持续，即使当膜厚度是超过二维（2D）杂交限制。同时，非局域输运测量结果表明了Chern绝缘体特征的手征边缘导电。在对比的2D杂化薄膜，一个额外的弱场依赖性的纵向电阻中观察到的10五层膜，表明在QAHE制度的耗散边缘通道上的膜厚度的影响。将QAHE扩展到三维厚度区域解决了这种量子输运现象的普遍性，并激发了对具有可调陈数的新QAHE相的探索。此外，在宏观尺度上观察尺度不变的无耗散手性传播，使理想的低功耗互连应用迈出了一大步。
