清华新闻网6月13日电 MnBi₂Te₄层状材料具有层内铁磁和层间反铁磁的性质，其能够将磁性和拓扑性质结合在一起，是一类极具研究价值和应用前景的本征磁性拓扑绝缘体。目前，一个有关MnBi2Te4表面态的问题始终困扰着科研工作者。由于单层MnBi₂Te₄的铁磁性会破坏其体结构的组合对称性（Combination symmetry,S），从而在MnBi₂Te₄的拓扑表面态中引入磁致带隙，其理论预测值约为50-90meV；但实验在制备出来的MnBi₂Te₄样品中仅观察到极小带隙（3-13.5 meV）的表面态，甚至无带隙表面态。MnBi₂Te₄样品中表面态带隙的消失被认为和样品中大量的Mn和Bi反位缺陷相关。
近日，清华大学深圳国际研究生院李佳课题组及合作者深入研究了MnBi₂Te₄制备的相变过程和相应的能带演化过程。首先，课题组成员选取MnTe/Bi₂Te₃和MnBi₂Te₄单层作为相变模型来研究其Mn-Bi交换的过程，并发现MnBi和BiMn反位缺陷是相变过程中的主要缺陷（如图1），与实验观察的结果一致。
课题组成员还发现，空位缺陷（如MnTe/Bi₂Te₃中Bi空位和MnBi₂Te₄中Mn空位）能够显著降低相变过程中的动力学势垒。但是随着相变的进行，Mn-Bi交换的动力学势垒逐渐升高，且热力学释放的能量逐渐降低。当大部分Mn-Bi完成交换后，也即MnBi₂Te₄中存在稀浓度的MnBi和BiMn反位缺陷时，简单的退火并不能克服过高动力学势垒，使得最终退火所得的MnBi₂Te₄中出现大量难以消除的Mn-Bi混合反位缺陷（如图2）。过度的提高退火温度来克服动力学势垒并不能进一步提升MnBi₂Te₄样品质量。
最后，课题组成员发现MnBi₂Te₄单层中狄拉克点相关能带的带隙会随着结构中MnBi和BiMn反位缺陷浓度的上升而减小，也即过高的MnBi和BiMn反位缺陷浓度会造成MnBi₂Te₄单层带隙的消失（如图3）。以上研究成果揭示了MnBi₂Te₄中MnBi和BiMn反位缺陷的形成和消失的机理，以及其在MnBi₂Te₄能带调控中扮演的角色，为实验中小带隙表面态的表征提供新的见解。

图1.由MnTe/Bi₂Te₃单层到MnBi2Te4单层相变示意图和材料中本征点缺陷

图2.由MnTe/Bi₂Te₃单层到MnBi₂Te₄单层相变的热力学和动力学过程

图3.由MnTe/Bi₂Te₃单层到MnBi₂Te₄单层相变的能带演化过程
相关研究成果以“MnBi₂Te₄中不可消除的Mn-Bi混合反位缺陷”（Irremovable Mn-Bi Site Mixing in MnBi₂Te₄）为题发表在《纳米快报》（Nano Letters）上。
论文的第一作者为清华大学深圳国际研究生院2018级博士生吴曦，通讯作者为清华大学深圳国际研究生院李佳副教授。论文共同作者还包括北京航空航天大学汤沛哲教授、清华大学深圳国际研究生院康飞宇教授和清华大学物理系段文晖教授。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省“珠江人才计划”本土创新科研团队和深圳市基础研究等项目的资助。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c00956
供稿：深圳国际研究生院
题图设计：李柳依
编辑：李华山
审核：郭玲
2023年06月13日 13:48:29