В настоящее время к новым направлениям развития науки и техники можно отнести микро- и наноэлектронику и спинтронику. Для приборов и устройств наноэлектроники и спинтроники необходимы новые функциональные материалы с уникальными физическими свойствами, в частности, с высокой степенью спиновой поляризации носителей заряда. Одними из таких перспективных материалов являются топологические изоляторы (ТИ), которые представляют собой новый класс веществ с нетривиальной топологической зонной структурой, возникающей из-за сильного спин-орбитального взаимодействия [3]. В этих соединениях наблюдается характерная для изолятора энергетическая щель в объеме материала и защищенные бесщелевые проводящие состояния на его поверхности. Жесткая связь между направлениями импульса и спина электрона приводит к возникновению спиновой поляризации носителей заряда и возможности протекания спин-поляризованного тока вблизи поверхности ТИ практически без потерь [4].
Поскольку такие материалы представляют огромный интерес как с фундаментальной, так и прикладной точек зрения, то синтез особо чистых и совершенных объемных монокристаллов ТИ, а также всестороннее исследование их физических свойств представляет большой интерес. Цель данной работы – синтез высокосовершенного монокристалла ТИ Bi2Te3 и изучение его электрических и гальваномагнитных свойств в сильных магнитных полях.
Материалы и методы исследования
Теллурид висмута Bi2Te3 имеет ромбическую симметрию с пространственной группой 
[5]. В элементарной ячейке содержатся три формульных единицы. Теллурид висмута имеет слоистую структуру, образованную повтором пяти сильно связанных атомных слоев Te−Bi−Te−Bi−Te. Слои ориентированы перпендикулярно оси c. Пятикратные слои связаны слабым взаимодействием Ван-дер-Ваальса.
Монокристалл Bi2Te3 был выращен методом Бриджмена-Стокбаргера и имеет отношение сопротивлений при комнатной температуре к гелиевой ρ293K/ρ4.2K ≈25 [2]. Это свидетельствует о высокой степени чистоты и совершенства монокристалла. Образец для исследований представлял собой пластину, ориентированную перпендикулярно кристаллографической оси c, с размерами 0.5*2*5 мм3. Измерения электро- и магнитосопротивления, а также эффекта Холла и проводились по общепринятой 4-контактной методике на постоянном токе с коммутацией направления электрического тока и внешнего магнитного поля в интервале температур от 4.2 до 80 K, в магнитных полях до 10 Т.
Результаты исследования и их обсуждение
На рис. 1 представлены температурные зависимости электросопротивления ρ(T) монокристалла Bi2Te3 в отсутствие внешнего поля. Видно, что ρ(T) имеет «металлический» ход, т.е. возрастает с увеличением температуры.
Рис. 1. Темпреатурная зависимость электросопротивления монокристалла Bi2Te3 без магнитного поля
Рис. 2. Темпреатурная зависимость сопротивления монокристалла Bi2Te3 в поле 10 Т
Внешнее магнитное поле приводит к существенному возрастанию величины сопротивления (рис. 2), хотя вид температурной зависимости ρxx(T) при этом практически не меняется. На рис. 3, а показаны полевые зависимости магнитосопротивления Δρxx/?0 = ρ0 = (ρxx – ρ0)/ρ0 (где ρxx и ρ0 – сопротивление в магнитном поле и в его отсутствие) при Т = 4.2 K. Видно, что магнитосопротивление Δρxx/ρ0 монотонно возрастает с полем по закону, близкому к линейному в полях свыше 2 Т, достигая значения около 2100 % в поле 10 T.
а) б)
Рис. 3. а) Полевая зависимость магнитосопротивления Δρxx/ρ0 Bi2Te3 при Т = 4.2 K; б) Температурная зависимость магнитосопротивления Δρxx/ρ0 Bi2Te3 в поле 10 Т
С увеличением температуры магнитосопротивление падает и при T = 80 K Δρxx/ρ0 становится около 300 % в поле 10 Т, все еще оставаясь достаточно большой величиной (рис. 3, б).
На вставке рис. 4 показаны полевые зависимости холловского сопротивления ρxy монокристалла Bi2Te3 при Т = 4.2 K. Видно, что сопротивление Холла линейно возрастает с магнитным полем и имеет отрицательный знак. Это означает, что основным типом носителей заряда являются электроны, а линейный характер зависимости ρxy(B) позволяет определить нормальный коэффициент Холла R0 = ρxy/B и оценить концентрацию носителей тока n, используя следующую формулу (см., напр., [1])
R0 = 1/e·n·c, (1)
где e – заряд электрона, а c – скорость света.
Измерения полевых зависимостей ρxy(B) показали, что они имеют линейный вид во всем исследованном интервале температур. Поэтому были измерены температурные зависимости сопротивления Холла ρxy(Т) и при помощи формулы (1) определена концентрация носителей тока n. Температурные зависимости n(T) представлены на рис. 4. Видно, что при T = 4.2 K концентрация n ≈ 3.76•1018 см-3, которая возрастает с температурой, достигая значения 5.02•1018 см-3 при T = 80 K. Т.е. концентрация носителей заряда возрастает, а проводимость (сопротивление) падает (возрастает) с увеличением температуры.
Такое необычное поведение n(T) и (T) можно объяснить возможным проявлением «металлического» характера проводимости приповерхностного слоя ТИ Bi2Te3, а также существенным вкладом в проводимость (сопротивление) процессов электрон-фононного рассеяния носителей тока.
Рис. 4. Температурная зависимость концентрации носителей тока n монокристалла Bi2Te3. На вставке показана полевая зависимость сопротивления Холла ρxy при Т = 4.2 K
Заключение
Таким образом, выращен монокристалл ТИ Bi2Te3 с отношением сопротивлений ρ293K/ρ4.2K ≈ 25. Показано, что основным типом носителей в нем при низких температурах являются электроны с концентрацией порядка 1018 см-3, которая монотонно возрастает с ростом Т. Величина проводимости (сопротивления) при этом уменьшается (возрастает), что отчасти могло бы быть проявлением «металлического» характера проводимости в приповерхностном слое вблизи поверхности ТИ. Хотя, по-видимому, основной вклад при этом дает сильное электрон-фононное взаимодействия. Для выяснения роли «поверхности» и «объема» в проводимости таких материалов необходимы экспериментальные исследования на тонких пленках.
Работа выполнена по плановому государственному заданию (тема «Спин» № 01201463330) при частичной поддержке Комплексной программы УрО РАН (проект № 15-17-2-12) и Правительства РФ (постановление № 211, контракт № 02.A03.21.0006).