Transport and magnetic properties of transition metal doped bi2se3
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 정명화
- 발행년도 2012
- 학위수여년월 2012. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 물리학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000047460
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작원 보호를 받습니다.
초록/요약
응집물질물리분야에서 최근 주목받고 있는 분야 중 하나는 위상절연체(topological insulator)의 발견이다. 위상절연체는 절연체적인 벌크 성질과 금속적인 표면성질 때문에 최근에 응집물질물리분야에서 주목받고 있다. 위상절연체는 2차원 물질에서 발견이 되었었지만, Zhang은 Bi2Se3, Bi2Te3, Sb2Te3같은 3차원 물질을 제안하였다. 이 위상절연체에 전이금속들을 도핑하여 magnetic ordering을 생성할 수 있는데, 예를 들면 Cu를 초과도핑한 Bi2Se3가 초전도성을 띄게 되는 현상이 실험적으로 보고되었다. 또한 각분해 광전자 분광학(angle-resolvec photoemission spectroscopy)실험을 통하여 Fe이 치환도핑된 Bi2Se3의 표면상태에서 밴드갭이 열리는 현상이 목격되었다. 이론적으로 3차원 위상절연체에 전이 금속 Cr과 Fe을 도핑하면 magnetic ordering이 생성된다는 것이 보고되었고, Mn을 도핑한 Bi2Se3의 전기적 및 자기적 성질들이 관측되었다. 그러나 아직 이러한 전이 금속들을 도핑하였을 때 나타나는 전기적 및 자기적 성질변화에 관한 연구가 충분하지 않다. 그래서 우리는 전이 금속이 초과도핑(TrxBi2Se3; Tr = Cr, Fe, Cu and Mn)되거나 치환도핑(TrxBi2-xSe3; Tr = Cr, Fe, Cu and Mn)된 Bi2Se3의 전기적 및 자기적 성질에 관하여 연구하였다. Cu0.15Bi2Se3 단결정체에서는 3 K 이하에서 초전도 현상이 나타나는 것을 온도변화에 따른 비저항변화와 자기모멘트 변화로부터 관측할 수 있었다. Fe0.15Bi1.85Se3 단결정체에서는 온도변화에 따른 자기모멘트변화 연구 결과 강자성적 교환 행동이 나타나는 것을 관측 할 수 있었고, Cr0.15Bi1.85Se3 단결정체에서는 반강자성적 교환 행동이 나타나는 것을 관측하였다. 전기적 성질 실험 결과 MnxBi2-xSe3 단결정체의 경우 x=0.05이상 도핑시켰을 때 운반자가 전자에서 정공으로 변하는 것을 관측하였는데, 이는 Seebeck 효과 실험으로도 같은 결과를 얻을 수 있었다. Mn을 도핑시킨 경우의 Seebeck 상수측정 결과 상온에서 100 V/K 정도의 값을 얻었다.
more초록/요약
One of the big issues in condensed matter physics is the discovery of topological insulators. Topological insulators have bulk insulating state, but also conducting surface state. Since, it has been shown in 2 dimensional materials, Zhang proposed for 3-dimensional topological insulators(TI), Bi2Se3, Bi2Te3, and Sb2Te3. Doping magnetic impurities provides an easier way to introduce magnetic order into topological insulators. For example, it has been reported that Bi2Se3 can be converted into superconductor by Cu intercalation. Furthermore, the angleresolved photoemission spectroscopy experiments have shown that the Fe substitution of Bi2Se3 results in opening a gap at the surface state. Theoretically, the 3D topological insulators have been suggested to become magnetically ordered insulators by doping transition metals such as Cr and Fe. Moreover, Bi2Se3 has been observed electric and magnetic properties by Mn doping. Nevertheless, there has been no transport and magnetic information enough to underline the peculiar tunable states by doping. Thus, we report the transport and magnetic properties of TrxBi2Se3 ( Tr =Cr, Fe, Cu and Mn) and TrxBi2-xSe3 (Tr = Cr, Fe, Cu and Mn). The Cu0.15Bi2Se3 crystal shows superconducting behavior below 3 K, where the diamagnetic signal is found. The magnetically doped case of the Fe0.15Bi1.85Se3 exhibits ferromagnetic exchange interactions, whereas the Cr0.15Bi1.85Se3 favors antiferromagnetic exchange interactions. The MnxBi2-xSe3 has p-type charge carrier above x=0.05. It also has been observed by Seebeck effect experiment. In addition the thermoelectric power of the p-type MnxBi2-xSe3 is ~100 mV/K at room temperature.
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