Compositional Control and Optimization of Molecular Beam Epitaxial Growth of (Sb2Te3)x(MnSb2Te4)y Magnetic Topological Insulators
Ido Levy, Candice Forrester, Haiming Deng, Manuel Goldan, Martha R. McCartney, David J. Smith, Christophe Testelin, Lia Krusin-Elbaum, Maria C. Tamargo
Magnetic topological insulators such as MnBi2Te4 and MnSb2Te4 are promising hosts of novel physical phenomena such as quantum anomalous Hall effect and intrinsic axion insulator state, both potentially important for the implementation in topological spintronics and error-free quantum computing. In the bulk, the materials are antiferromagnetic but appropriate stacking with non-magnetic layers or excess Mn in the crystal lattice can induce a net ferromagnetic alignment. In this work we report the growth of (Sb2Te3)x(MnSb2Te4)y layers with varying Mn content by molecular beam epitaxy. The Mn flux fraction provided during growth controls the percent of MnSb2Te4 that is formed in the resulting layers by a self-assembly process. Highly crystalline layers with compositions varying between Sb2Te3 (y=0) and MnSb2Te4 (x=0) were obtained. The results show that Mn incorporates as a structural component to form MnSb2Te4, and as an impurity element both in Sb2Te3 and in MnSb2Te4. Two modifications of the growth conditions were implemented to enhance the incorporation of Mn as a structural element to form MnSb2Te4. Annealing of a thin portion of the layer at the beginning of growth (pre-anneal step), and increasing the growth temperature, both result in a larger percent of MnSb2Te4 for similar Mn flux fractions during growth. Samples having at least a few percent of MnSb2Te4 layers exhibit ferromagnetic behavior likely due to the excess Mn in the system which stabilizes on Sb sites as MnSb antisite defects.
Metal-induced gap states in epitaxial organic-insulator/metal interfaces
我们已经表明，在实验和理论上，金属诱导的间隙状态（MIGS）可以存在于外延生长的有机绝缘体/金属界面。实验是针对具有元素选择性近边X射线吸收精细结构（NEXAFS）的烷烃/Cu（001）进行的，其表现出指示MIGS的前峰。{ \it ab initio}电子结构计算支持MIGS的存在。当用Ni代替Cu衬底时，预测界面磁性（在界面处的自旋极化有机晶体）可能具有载流子掺杂。
Tuning metal-insulator transitions in epitaxial V$_2$O$_3$ thin films
采用直流反应磁控溅射法在$c$平面Al $_2$ O $_3$衬底上外延生长V $_2$ O $_3$薄膜。结果揭示了一个温度窗口，在大大低于以前报道的值，其中外延膜时，可以得到沉积在[0001]取向的表面。该薄膜显示金属-绝缘体的转变与高达四个数量级的电阻的变化，强烈依赖于在沉积过程中的O $_2$分压。虽然薄膜的电子性质显示出对薄膜沉积过程中存在的O $_2$的量的敏感性，但它们的晶体结构和原子级平坦的台阶结构的表面形态具有高达微米的尺寸被保持。的转变温度，以及金属-绝缘体转变的规模，相关的化学计量和局部应变的薄膜中的沉积参数可控。
MOCVD synthesis of compositionally tuned topological insulator nanowires
涉及拓扑绝缘体（TI）的器件应用将需要开发用于制造具有亚微米尺寸、高质量表面和受控成分的TI样品的可扩展方法。在这里，我们使用Bi-，Se-和Te-轴承金属有机前体合成TI的纳米线的形式。单晶纳米线可以用范围从Bi 2Se 3到Bi 2 Te 3的组成生长，包括三元化合物Bi 2 Te 2Se。这些高质量的纳米结构TI化合物是正在进行的马约拉纳费米子搜索的合适平台。
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。
Study of polycrystalline bulk Sr$_3$OsO$_6$ double-perovskite insulator: comparison with 1000 K ferromagnetic epitaxial films
在高温高压（1200 $^\circ$ C，6 GPa）条件下，通过固相反应合成了有序双钙钛矿绝缘体SrPDMATHABMM OsO $_6$多晶。的合成使我们能够进行比较研究的散装形式的Sr $_3$ OsO $_6$朝向揭示1000 K铁磁性的驱动机制，这是最近发现的外延生长的Sr $_3$ OsO $_6$薄膜。与薄膜不同的是，块体主要是反铁磁性而不是铁磁性。因此，只有当Sr $_3$ OsO $_6$受到界面的影响时，才会出现强的铁磁有序.在低温下（$<$ 17 K），比热容为39.6（9）× 10 $^{-3}$ J mol $^{-1}$ K $^{-2}$.这个值是非常高的，这表明在磁基态可能存在类似费米子的激发。虽然Sr $_3$ OsO $_6$的体相和薄膜相具有相同的晶格基和电绝缘状态，但它们的磁性却完全不同。
Molecular Beam Epitaxial Growth of Bi2Te3 and Sb2Te3 Topological Insulators on GaAs (111) Substrates: A Potential Route to Fabricate Topological Insulator p-n Junction
采用固体源分子束外延技术在GaAs（111）衬底上外延生长了高质量的Bi 2 Te 3和Sb 2 Te 3拓扑绝缘体薄膜。用反射高能电子衍射、原子力显微镜、X射线衍射和高分辨透射电子显微镜研究了它们在邻位和非邻位GaAs（111）衬底上的生长和行为。发现非邻位GaAs（111）衬底比邻位GaAs（111）衬底更能获得高质量的Bi_2Te_3和Sb_2Te_3薄膜。霍尔和磁阻测量表明，p型Sb_2Te_3和n型Bi_2Te_3拓扑绝缘体薄膜可以直接生长在GaAs（111）衬底上，这为在同一衬底上制备拓扑绝缘体pn结提供了一条途径，与现有半导体光电子器件的制备工艺相兼容。
Proximity-induced giant spin-orbit interaction in epitaxial graphene on topological insulator
Dirac材料的异质结构，如石墨烯和拓扑绝缘体，为探索固体中电子的奇异量子态提供了有趣的平台。本文采用密度泛函理论和紧束缚方法研究了石墨烯-Sb 2 Te 3异质结构的电子结构。我们发现，在Sb 2 Te 3上的外延石墨烯由于其接近拓扑绝缘Sb 2 Te 3而转变为量子自旋霍尔相。发现外延石墨烯发展出约~20 meV的巨大自旋-轨道能隙，这比原始石墨烯的自旋-轨道能隙大约三个数量级。我们讨论了这种增强的自旋-轨道相互作用的起源和可能的结果的自旋霍尔阶段在石墨烯。
Epitaxial germanidation of full-Heusler Co2FeGe alloy thin films formed by rapid thermal annealing
采用快速热退火诱导锗化方法，在绝缘体上硅（SOI）衬底上外延生长Fe/Co/赝Ge（001）-on-insulator（GOI）多层膜，制备了全Heusler Co2 FeGe（CFG）合金薄膜。X射线衍射（XRD）分析结果表明，薄膜沿[001]方向外延生长，且具有面内外延结构，薄膜的面内外延关系为[100]|| GOI[100]，虽然电影稍微包含纹理成分。强的（111）和（200）超晶格衍射强度表明，CFG薄膜具有高度有序的L21结构。薄膜的横截面高分辨率透射电子显微镜图像表明薄膜具有主要的外延和轻微的织构组分，这与XRD测量结果一致。外延元件直接生长在SOI衬底的BOX层上，而不形成任何界面层。
Epitaxial binding and strain effects of monolayer stanene on the Al$_{2}$O$_{3}$(0001) surface
锡烯是锡的二维单层结构，由于其大的自旋-轨道相互作用，被预测为二维拓扑绝缘体。然而，一个明确的实验证明的锡烯的拓扑非平凡的性质已经逃避观察，部分原因是因为难以选择一个基板上的锡烯将保持拓扑非平凡的。在本文中，我们提出了第一性原理密度泛函理论（DFT）计算的外延单层锡烯生长在（0001）表面的氧化铝，Al $_{2}$ O $_{3}$，以及独立的装饰锡烯下的应变。通过描述单层锡烯如何与氧化铝结合的能量学和性质，我们展示了单层相干应变和外延到衬底的强大能量驱动。通过分析应变锡烯的电子结构，发现它是Al $_{2}$ O $_{3}$上的量子自旋霍尔绝缘体。我们还描述了\emph{in situ}氟装饰上的绑定锡烯单层，包括其潜在的机械剥离的效果。
Epitaxial growth of a two-dimensional topological insulator candidate: monolayer Si2Te2
半导体Si 2 Te 2单层（ML-Si 2 Te 2）被预测为半导体和室温量子自旋霍尔相之间的应变相关的带交叉。然而，对这种人工二维（2D）材料的研究主要限于理论计算，因为它的大块对应物不自然存在。本文报道了在Sb_2 Te_3薄膜衬底上成功地外延生长ML-Si_2 Te_2薄膜。通过扫描隧道显微镜观察，得到了覆盖率高达95%的高质量（1*1）ML-Si_2 Te_2薄膜。X-射线光电子能谱学证实了在界面处没有Si 2 Te 2和Sb 2 Te 3之间的混合。结合扫描隧道光谱和密度泛函理论计算，我们证明了ML-Si_2 Te_2在Sb_2 Te_3上的半导体能带结构.此外，理论上预测，系统可以驱动到非平凡相通过减少4.4%的应变，使用应变工程。我们的研究结果铺平了道路，在这个二维拓扑绝缘体候选人的深入调查。
Versatile electronic states in epitaxial thin films of (Sn-Pb-In)Te: from topological crystalline insulator and polar semimetal to superconductor
用分子束外延（MBE）方法成功地生长了（Sn $_{x}$ Pb $_{1-x}$）$_{1-y}$ In $_{y}$ Te外延薄膜，其组成范围较宽（0 $\leq$ x $\leq$ 1，0 $\leq$ y $\leq$ 0.23）。我们通过电输运和光学二次谐波的测量研究了薄膜的电子相位。在该系统中，可以通过调节Pb/Sn比和In组分来控制带隙的反转、打破反转对称性的电极化的强度以及费米能级位置。大量的拓扑电子相有望出现，如拓扑晶体绝缘体，拓扑半金属和超导性。对于具有大Sn组分（x > 0.5）的样品，空穴密度随着In组分（y）的增加而增加，这导致超导电性的出现。另一方面，对于具有小Sn组分（x < 0.5）的那些，In组分的增加降低了空穴密度并且将载流子类型从p型改变为n型。在以（x，y）=（0.16，0.07）为中心的n型载流子被轻微掺杂的窄区域中，显示出具有超过5，000 cm $^{2}$ V $^{-1}$ s $^{-1}$的高迁移率的电荷传输，代表可能的半金属状态。在这些样品中，光学二次谐波产生测量显示沿面外[111]方向的反转对称性破缺，这确保了极性半金属态的存在。具有多种电子态的（Sn $_{x}$ Pb $_{1-x}$）$_{1-y}$ In $_{y}$ Te材料体系的薄膜将成为探索新量子现象的一个有前途的材料平台。
EuIn2Sb2: epitaxially stabilized axion insulator candidate with strong spin-orbit coupling
Institute of Science Tokyo（东京科学大学）；RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS)（理化学研究所 新兴物质科学中心）；Toyota Physical and Chemical Research Institute（丰田物理化学研究所）
What is the Mechanism Underlying 3-D Heisenberg-like Ferromagnetism Across the Compositional Metal-Insulator Transition in La1-xCaxMnO3 (0.18 < xc < 0.22)?
Stabilizing Magnetic Bubble Domains in Epitaxial 2D Magnet/Topological Insulator Heterostructures through Interfacial Interactions
University of Southern California（南加州大学）；University of South Florida（南佛罗里达大学）；The Ohio State University（俄亥俄州立大学）；Max Planck Institute for Solid State Research（马克斯·普朗克固体研究所）；Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie（柏林赫尔姆霍兹材料能源中心）
Simultaneous electrical-field-effect modulation of both top and bottom Dirac surface states of epitaxial thin films of three-dimensional topological insulators
