Nanoscale Control of Intrinsic Magnetic Topological Insulator MnBi2Te4 Using Molecular Beam Epitaxy: Implications for Defect Control

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作者
Hyunsue Kim,Mengke Liu,Lisa Frammolino,Yanxing Li,Fan Zhang,Woojoo Lee,Chengye Dong,Yifan Zhao,Guan‐Yu Chen,Pin-Jui Hsu,Cui‐Zu Chang,Joshua A. Robinson,Jiaqiang Yan,Xiaoqin Li,A. H. MacDonald,Chih‐Kang Shih
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:7 (17): 21149-21159 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acsanm.4c04518
摘要

Intrinsic magnetic topological insulators have emerged as a promising platform to study the interplay between the topological surface states and ferromagnetism. This unique interplay can give rise to a variety of exotic quantum phenomena, including the quantum anomalous Hall effect and axion insulating states. Here, in this study, utilizing molecular beam epitaxy (MBE), we present a comprehensive study of the growth of MnBi2Te4 thin films on Si (111), epitaxial graphene, and highly ordered pyrolytic graphite substrates. By combining a suite of in situ characterization techniques, we obtain critical insights into the nanoscale control of MnBi2Te4 epitaxial growth. First, we extract the free energy landscape for the epitaxial relationship as a function of the in-plane angular distribution. Then, by employing an optimized layer-by-layer growth, we determine the chemical potential and Dirac point of the thin film at different thicknesses and how this quantity is manifested by the dopant compensation from different antisite defects. Overall, these results establish a foundation for understanding the growth kinetics of MnBi2Te4 and pave the way for future applications of MBE-grown thin films in emerging topological quantum materials.
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