Magnetic Cr doping ofBi2Se3: Evidence for divalent Cr from x-ray spectroscopy

结晶学 物理 价(化学) 兴奋剂 掺杂剂 磁矩 材料科学 凝聚态物理 化学 量子力学
作者
A. I. Figueroa,G. van der Laan,L. J. Collins‐McIntyre,Sifei Zhang,Alexander A. Baker,S. E. Harrison,Piet Schönherr,Giannantonio Cibin,T. Hesjedal
出处
期刊:Physical Review B [American Physical Society]
卷期号:90 (13) 被引量:58
标识
DOI:10.1103/physrevb.90.134402
摘要

Ferromagnetically doped topological insulators with broken time-reversal symmetry are a prerequisite for observing the quantum anomalous Hall effect. Cr-doped ${(\mathrm{Bi},\mathrm{Sb})}_{2}{(\mathrm{Se},\mathrm{Te})}_{3}$ is the most successful materials system so far, as it combines ferromagnetic ordering with acceptable levels of additional bulk doping. Here, we report a study of the local electronic structure of Cr dopants in epitaxially grown ${\mathrm{Bi}}_{2}{\mathrm{Se}}_{3}$ thin films. Contrary to the established view that the Cr dopant is trivalent because it substitutionally replaces ${\mathrm{Bi}}^{3+}$, we find instead that Cr is divalent. This is evidenced by the energy positions of the Cr $K$ and ${L}_{2,3}$ absorption edges relative to reference samples. The extended x-ray absorption fine structure at the $K$ edge shows that the Cr dopants substitute on octahedral sites with the surrounding Se ions contracted by $\ensuremath{\Delta}d=\ensuremath{-}0.36$ \AA{}, in agreement with recent band structure calculations. Comparison of the Cr ${L}_{2,3}$ x-ray magnetic circular dichroism at $T=5$ K with multiplet calculations gives a spin moment of $3.64 {\ensuremath{\mu}}_{\mathrm{B}}/{\mathrm{Cr}}_{\mathrm{bulk}}$, which is close to the saturation moment for ${\mathrm{Cr}}^{2+} {d}^{4}$. The reduced Cr oxidation state in doped ${\mathrm{Bi}}_{2}{\mathrm{Se}}_{3}$ is ascribed to the formation of a covalent bond between Cr $d({e}_{g})$ and Se $p$ orbitals, which is favored by the contraction of the Cr-Se distances.
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