氩离子辐照对拓扑绝缘体Bi2Se3磁输运性质的调控及新奇量子效应研究

《Radiation Physics and Chemistry》：Heavy ion irradiation-induced modifications in magnetotransport of the topological insulator Bi 2Se 3

本文系统研究了氩离子辐照对Bi2Se3拓扑绝缘体磁输运性质的调控作用。研究发现，不同能量（10/15 keV）和注量（1.25×1015/1017cm-2）的Ar+辐照可显著改变材料电输运特性，诱导出负磁阻（MR）和磁阻饱和等新奇量子现象，为拓扑材料缺陷工程提供了重要实验依据。

　　

研究亮点

氩离子辐照诱导的拓扑绝缘体Bi₂Se₃磁输运修饰

材料与方法

采用布里奇曼-斯托克巴杰法（Bridgman-Stockbarger）生长Bi₂Se₃单晶，通过能量为10 keV和15 keV、注量为1.25×10¹⁵cm^-2和1.25×10¹⁷cm^-2的Ar⁺离子辐照引入可控缺陷。输运测量在5-300 K温度范围和最高9 T磁场下进行。

电子输运性质

图3展示了原始（S0）与三个辐照样品（S1-S3）的电阻率温度依赖关系。所有样品均呈现典型金属行为，辐照导致电阻率升高表明晶体缺陷密度增加。剩余电阻比（RRR=ρ_300K/ρ_5K）从4.76（S0）系统下降至3.28（S3），印证了辐照诱导散射增强效应。

结论

本工作系统阐明了Ar⁺离子辐照对Bi₂Se₃拓扑绝缘体磁输运性质的调控规律，主要发现包括：离子辐照引发电阻率升高和载流子浓度降低；磁阻曲线显著变化揭示了电子结构重构；观测到源自体态的Shubnikov-de Haas量子振荡；首次发现无法用现有拓扑绝缘体理论解释的负磁阻效应；特定样品在高磁场下出现磁阻饱和现象，可能源于费米面各向异性减弱。这些发现为拓扑量子材料的缺陷工程提供了新的视角。