Ferro-drogaggio dell'isolante topologico Sb ₂ Te ₃ si traduce in utili proprietà elettroniche e magnetiche, quantificato in un recente studio FLEET presso l'Università di Wollongong.

I ricercatori hanno studiato le proprietà di trasporto magneto di un isolante topologico drogato con ferro (Fe-Sb ₂ Te ₃ ).

Dopo che il materiale è stato drogato tramite l'aggiunta di ferro, la sua struttura elettronica cambia in modo significativo:emergono frequenze di risposta multiple, a differenza della singola frequenza rilevata per Sb ₂ Te ₃ nella sua forma pura, e la densità e la mobilità dei portatori sono ridotte.

"Questa migliore comprensione degli effetti del doping sull'isolante topologico Sb ₂ Te ₃ sono fondamentali per informare il futuro possibile utilizzo nell'elettronica a bassa energia, " spiega il capo progetto Xiaolin Wang.

Gli isolanti topologici (TI) sono nuovi materiali che non sono né conduttori elettrici, né isolanti elettrici. Anziché, un isolante topologico è un isolante al suo interno, ma conduce lungo i suoi bordi (come un blocco di cioccolato avvolto in un foglio di alluminio).

Gli stati superficiali di Dirac unici degli isolanti topologici sono attraenti per le applicazioni elettroniche e potenzialmente ospitano una serie di fenomeni affascinanti e utili.

In isolanti topologici tridimensionali (3-D) come Sb ₂ Te ₃ , la struttura elettronica di superficie è impigliata con la struttura elettronica interna (bulk) e, di conseguenza, entrambi gli aspetti devono essere compresi a livello fondamentale.

Questioni irrisolte sull'effetto del drogaggio metallico di Sb ₂ Te ₃ è legato a una delle proprietà di trasporto più affascinanti negli isolanti topologici:l'effetto Hall anomalo quantistico (QAHE).

QAHE descrive un effetto che una volta era "inaspettato" (cioè, anomala):quantizzazione della resistenza trasversale di "Hall", accompagnata da un notevole calo della resistenza longitudinale.

"E' un'area di grande interesse per i tecnologi, " spiega Xiaolin Wang. "Sono interessati a utilizzare questa significativa riduzione della resistenza per ridurre significativamente il consumo di energia nei dispositivi elettronici".

Lo studio degli isolanti topologici drogati magneticamente cerca di trovare l'insieme ottimale di droganti, ordine magnetico, e trasporto di proprietà al fine di:

• Raggiungere una temperatura di inizio QAHE più alta (vicino all'ambiente)
• Elimina le caratteristiche indesiderate nella struttura elettronica introdotte dal drogante del metallo di transizione che sono dannose per le prestazioni.

Risultati in dettaglio

Questo nuovo studio riporta gli effetti elettronici del doping Sb ₂ Te ₃ monocristalli con ferro, tramite esperimenti di magnetotrasporto e calcoli teorici complementari.

Drogando l'isolante topologico Sb ₂ Te ₃ con ferro si traduce in:

La struttura della banda elettronica del materiale cambia in modo significativo

• Introduzione di più tasche Fermi, inclusi due che sono altamente dipendenti dall'angolo
• Densità e mobilità ridotte dei portatori.

Utilizzando calcoli teorici, i ricercatori hanno identificato un'ulteriore tasca a foro sfusa introdotta nella struttura elettronica, originato dalla distorsione chimica associata al drogante di ferro.

Sono state identificate due frequenze di oscillazione dipendenti dall'angolo, relativo a due tasche Fermi.

Inoltre, il panorama della relazione energia-impulso degli elettroni cambia attraverso il drogaggio del ferro, indicando così una ricca complessità nella struttura elettronica sottostante.

Sperimentalmente, sia i campioni drogati che quelli non drogati sono dominati dal portatore di lacune; però, il drogaggio del ferro riduce anche la densità e la mobilità dei portatori.