Growth, characterization, and Chern insulator state in MnBi2Te4 via the chemical vapor transport method

材料科学 凝聚态物理 拓扑绝缘体 反铁磁性 霍尔效应 电导 表征(材料科学) 费米能级 结晶学 物理 电阻率和电导率 纳米技术 电子 化学 量子力学
作者
Chaowei Hu,Anyuan Gao,Bryan S. Berggren,Hong Li,R. Kurleto,Dushyant Narayan,Ilija Zeljkovic,Dan Dessau,Su‐Yang Xu,Ni Ni
出处
期刊:Physical Review Materials [American Physical Society]
卷期号:5 (12) 被引量:30
标识
DOI:10.1103/physrevmaterials.5.124206
摘要

As the first intrinsic antiferromagnetic topological insulator, ${\mathrm{MnBi}}_{2}{\mathrm{Te}}_{4}$ has provided a platform to investigate the interplay of band topology and magnetism as well as the emergent phenomena arising from such an interplay. Here we report the chemical-vapor-transport (CVT) growth and characterization of ${\mathrm{MnBi}}_{2}{\mathrm{Te}}_{4}$, as well as the observation of the field-induced quantized Hall conductance in 6-layer devices. Through comparative studies between our CVT-grown and flux-grown ${\mathrm{MnBi}}_{2}{\mathrm{Te}}_{4}$ via magnetic, transport, scanning tunneling microscopy, and angle-resolved photoemission spectroscopy measurements, we find that CVT-grown ${\mathrm{MnBi}}_{2}{\mathrm{Te}}_{4}$ is marked with higher Mn occupancy on the Mn site, slightly higher ${\mathrm{Mn}}_{\mathrm{Bi}}$ antisites, smaller carrier concentration, and a Fermi level closer to the Dirac point. Furthermore, a 6-layer device made from the CVT-grown sample shows by far the highest mobility of 2500 ${\mathrm{cm}}^{2}\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}\mathrm{V}\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}\mathrm{s}$ in ${\mathrm{MnBi}}_{2}{\mathrm{Te}}_{4}$ devices with the quantized Hall conductance appearing at 1.8 K and 8 T. Our study provides a route to obtain high-quality single crystals of ${\mathrm{MnBi}}_{2}{\mathrm{Te}}_{4}$ that are promising to make superior devices and realize emergent phenomena, such as the layer Hall effect and quantized anomalous Hall effect, etc.
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