在预刻蚀的衬底上通过分子束外延直接生长出拓扑绝缘体薄膜的微器件

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．2(2014)027303在预刻蚀的衬底上通过分子束外延直接生长出拓扑绝缘体薄膜的微器件冰韦庞)2)李康2)冯硝2)3)欧云波2)张立果2)3)王立莉2)3)何珂2)3)t马旭村2)3)薛其坤3){·1)(北京邮电大学电子工程学院，北京100876)2)(中国科学院物理研究所，北京凝聚态物理国家实验室，北京100190)3)(清华大学物理系，低维量子物理国家重点实验室，北京100084)(2013年12月l1曰收到；2013年12月17日收到修改稿)在利

2、用光刻将拓扑绝缘体外延薄膜加工成微米尺寸结构的过程中，所用的各种化学物质会导致薄膜质量的下降．在实验中，通过在钛酸锶衬底上预先光刻出Hallbar形状的凸平台并以此为模板进行拓扑绝缘体(BiSbl一)2Tea薄膜的分子束外延生长，直接获得了薄膜的Hallbar微器件，从而避免了光刻过程对材料质量的影响．原子力显微镜和输运测量结果均显示该微器件保持了(BiSbl一)2Te3外延薄膜原有的性质．这种新的微器件制备方法有助于在拓扑绝缘体中实现各种新奇的量子效应，并可推广于其他外延生长的低维系统．关键词：拓扑绝缘体

3、，钛酸锶，光刻，霍尔效应PACS：73．40．一C，03．65．Vf，81．15．Hi，85．40．HpDOI：10．7498／aps．63．027303MBE)在多种衬底上生长出高质量的Bi2Se3家族引言拓扑绝缘体薄膜，并在其中观测到了一些新奇的量子现象和物理性质【4，引．拓扑绝缘体因其独特的电子结构和性质成为拓扑绝缘体很多独特的输运性质需要在微米近年来凝聚态物理研究的热点领域．三维拓扑绝缘尺度甚至亚微米尺度的结构中才能观测到．例如，体具有绝缘型的体能带和受时间反演对称性保护拓扑绝缘体的表面态具有电子弹

4、性散射的背散射的金属型表面态．这种表面态在动量空间具有狄拉缺失的特性[125]．要想观测到此特性对输运性质克型的色散关系，并且在狄拉克点之外的地方是自的影响，需要样品尺寸小于电子的非弹性散射平均旋非简并的．这种独特的拓扑表面态有可能导致多自由程，从而使弹性散射主导输运过程．与此相关种新奇的量子现象，如表面量子霍尔效应、激子凝聚现象、量子反常霍尔效应等【，引．三维拓扑绝缘体的量子白旋霍尔效应正是在1m大小的二维拓扑绝缘体Hallbar器件中才被观测到的[6】．为了将一己经在很多材料中被预言或发现，其中Bi2S

5、e3家族的化合物(Bi2Se3，Bi2Te3和Sb2Te3)因为其简单的个外延薄膜加工成微器件，一般需要对其进行紫外表面态结构、较大的体能隙、较易制备等优点成为光刻或电子束刻蚀．而微器件制作工艺需要使材料目前研究最多的一类三维拓扑绝缘体材料[3】．人们表面接触各种化学物质，如光刻胶、显影液、各种有已通过分子束外延方法fmolecularbeamepitaxy,机溶剂等．尽管由于拓扑保护，这些化学物质不会国家自然科学基金面上项目(批准号：11174343)和国家自然科学基金重点项目(批准号11134008)资

6、助的课题十通讯作者．E-mail：kehe@iphy．ac．ca}通讯作者．E-mail：qkxue~mail．tsinghua．edu．ca◎2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyt印：／／／／wulixb．hy．ac．cn物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．2(2014)027303明了平台上下薄膜的不连续．在平台边缘附近约子，其浓度低于1．8×10坞／cm2．这样，我们可以估300nm范围内的薄膜上还分布着一些具有较高高计薄膜的载流子迁移率应高于433cm。

7、／w．这个度的小岛，这非常类似在MBE生长中常见的台阶数值和未经光刻的5QL(BiSbl一)2Te3薄膜的迁修饰fstepdecoration)现象_12_，很可能是由于平台移率接近，说明我们所采用的微器件制作工艺对薄边缘对原子扩散的限制使得在其附近原子密度更膜的质量几乎没有影响．高、更易成核所致．通过对衬底温度、束流等MBE生长条件的优化有可能减轻这种现象．4结论从上述的实验结果可以看出，在预先刻蚀好Hallbar形状凸平台的衬底上进行MBE生长可以直接实现拓扑绝缘体薄膜微器件的制各．在此方法中、由于微加

8、工过程被提到了衬底处理和MBE生长之前，因此所获得薄膜在质量上和普通MBE生长的薄膜基本没有区别．这尤其适合拓扑绝缘体外延薄膜和量子反常霍尔系统的微器件制作．由于这种方法对于衬底和薄膜的材料没有特别的要求，因此可以适用于多种材料系统，特别为低维超导、表面电子系统等对表面敏感的材料提供了一种很好的微器件加工方法[13-15]．尽管此实验仅使用紫外蛊光刻进行衬底的预刻蚀，原则上也可以使用电子束刻蚀和聚焦离子束刻蚀技术