Pb-doped p -type Bi2Se3 thin films via interfacial engineering

掺杂剂 兴奋剂 类型(生物学) 拓扑绝缘体 材料科学 拓扑(电路) 分析化学(期刊) 凝聚态物理 物理 光电子学 化学 数学 组合数学 地质学 有机化学 古生物学
作者
Jisoo Moon,Zengle Huang,Weida Wu,Seongshik Oh
出处
期刊:Physical Review Materials [American Physical Society]
卷期号:4 (2) 被引量:5
标识
DOI:10.1103/physrevmaterials.4.024203
摘要

Due to the high density of native defects, the prototypical topological insulator (TI), ${\mathrm{Bi}}_{2}{\mathrm{Se}}_{3}$, is naturally $n$-type. Although ${\mathrm{Bi}}_{2}{\mathrm{Se}}_{3}$ can be converted into $p$-type by substituting $2+$ ions for Bi, only light elements such as Ca have so far been effective as the compensation dopant. Considering that strong spin-orbit coupling (SOC) is essential for the topological surface states, a light element is undesirable as a dopant because it weakens the strength of SOC. In this sense, Pb, which is the heaviest $2+$ ion, located right next to Bi in the Periodic Table, is the most ideal $p$-type dopant for ${\mathrm{Bi}}_{2}{\mathrm{Se}}_{3}$. However, Pb-doping has so far failed to achieve $p$-type ${\mathrm{Bi}}_{2}{\mathrm{Se}}_{3}$ not only in thin films but also in bulk crystals. Here, by utilizing an interface engineering scheme, we have achieved the first Pb-doped $p$-type ${\mathrm{Bi}}_{2}{\mathrm{Se}}_{3}$ thin films. Furthermore, at heavy Pb-doping, the mobility turns out to be substantially higher than that of Ca-doped samples, suggesting that Pb is a less disruptive dopant than Ca. The availability of Pb-doped $p$-type ${\mathrm{Bi}}_{2}{\mathrm{Se}}_{3}$ films will provide opportunities to study a Fermi-level tunable TI system while preserving the SOC strength.
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