Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2023, № 11 · PHYSICAL PROBLEMS OF ELECTRONICS

Electrical resistivity and optical conductivity of the antiferromagnetic topological insulator MnBi2Te4 single crystal

B.M. Fominykh1,2, A.N. Perevalova1, E.B. Marchenkova1, E.I. Schreder1, S.V. Naumov1, V.V. Marchenkov1,2

1 M.N. Mikheev Institute of Metal Physics of Ural Branch of Russian Academy of Sciences, Ekaterinburg, Russia
2 Ural Federal University Named after the First President of Russia B.N. Yeltsin, Ekaterinburg, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2023.11.16 UDC 537.6 EDN LRVRJH

Abstract

The anisotropy of the electrical resistivity and optical properties of the antiferromagnetic topological insulator MnBi2Te4 single crystal has been studied. It is shown that the electrical resistivity of MnBi2Te4 measured perpendicular to the (00 l ) plane is an order of magnitude higher than the resistivity measured in this plane. The behavior of optical conductivity is qualitatively similar for the cases when light is directed at the surface (00 l ) and at a surface perpendicular to the plane (00 l ). It has been shown that the optical spectrum of MnBi2Te4 is formed predominantly by interband transitions of charge carriers.

  • antiferromagnetic topological insulator MnBi<sub>2</sub>Te<sub>4</sub>
  • single crystal
  • anisotropy
  • electrical resistivity
  • optical conductivity
Аннотация (на русском)

Электросопротивление и оптическая проводимость монокристалла антиферромагнитного топологического изолятора MnBi2Te4

Исследована анизотропия электросопротивления и оптических свойств монокристалла антиферромагнитного топологического изолятора MnBi2Te4. Показано, что электросопротивление MnBi2Te4, измеренное перпендикулярно плоскости (00 l ) монокристалла, на порядок величины превышает сопротивление, измеренное в данной плоскости. Поведение оптической проводимости имеет качественно схожий характер для случаев, когда свет направлен на поверхность (00 l ) и на поверхность, перпендикулярную плоскости (00 l ). Показано, что оптический спектр MnBi2Te4 формируется преимущественно межзонными переходами носителей заряда.

For citation

Fominykh B.M., Perevalova A.N., Marchenkova E.B., Schreder E.I., Naumov S.V., Marchenkov V.V. Electrical resistivity and optical conductivity of the antiferromagnetic topological insulator MnBi2Te4 single crystal // Journal of Radio Electronics. – 2023. – No. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.11.16

References

  1. Yue C. et al. Device applications of synthetic topological insulator nanostructures // Electronics. - 2018. - V. 7. - №. 10. - P. 225. https://doi.org/10.3390/electronics7100225
  2. Liu C.W. et al. Development of topological insulator and topological crystalline insulator nanostructures // Nanotechnology. - 2020. - V. 31. - №. 19. - P. 192001. https://doi.org/10.1088/1361-6528/ab6dfc
  3. Pesin D., MacDonald A. H. Spintronics and pseudospintronics in graphene and topological insulators // Nature materials. - 2012. - V. 11. - №. 5. - P. 409-416. https://doi.org/10.1038/nmat3305
  4. Zhang H., Zhang S.C. Topological insulators from the perspective of first-principles calculations //physica status solidi (RRL)-Rapid Research Letters. - 2013. - V. 7. - №. 1-2. - P. 72-81. https://doi.org/10.1002/pssr.201206414
  5. Moore J.E. The birth of topological insulators //Nature. - 2010. - V. 464. - №. 7286. - P. 194-198. https://doi.org/10.1038/nature08916
  6. Lee D.S. et al. Crystal structure, properties and nanostructuring of a new layered chalcogenide semiconductor, Bi2MnTe4 //CrystEngComm. - 2013. - V. 15. - №. 27. - P. 5532-5538. https://doi.org/10.1039/C3CE40643A
  7. Otrokov M.M. et al. Prediction and observation of an antiferromagnetic topological insulator //Nature. - 2019. - V. 576. - №. 7787. - P. 416-422. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1840-9
  8. Deng Y. et al. Quantum anomalous Hall effect in intrinsic magnetic topological insulator MnBi2Te4 //Science. - 2020. - V. 367. - №. 6480. - P. 895-900. https://doi.org/10.1126/science.aax8156
  9. Liu C. et al. Robust axion insulator and Chern insulator phases in a two-dimensional antiferromagnetic topological insulator //Nature material. - 2020. - V. 19. - №. 5. - P. 522-527. https://doi.org/10.1038/s41563-019-0573-3
  10. Li J. et al.Intrinsic magnetic topological insulators in van der Waals layered MnBi2Te4-family materials //Science Advances. - 2019. - V. 5. - №. 6. - P. eaaw5685. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaw5685
  11. Шикин А.M. и др. Модуляция энергетической запрещенной зоны в точке Дирака в антиферромагнитном топологическом изоляторе MnBi2Te4 как результат изменений поверхностного градиента потенциала /Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 2022. - Т. 161. - №. 1. - С. 126-136.
  12. Макарова Т.П. и др. Влияние атомов Co на электронную структуру топологических изоляторов Bi2Te3 и MnBi2Te4. - 2022. // Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 2022. - Т. 161. - № 5. - C. 711-719.
  13. Шикин А.М. и др. Электронная, спиновая структура и магнитные свойства собственных антиферромагнитных топологических изоляторов семейства MnBi2Te4 (Bi2 Te3) m (Миниобзор) //Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 2022. - Т. 115. - №. 4. - С. 241-255.
  14. Абдуллаев Н.А. и др. Механизм переноса заряда в новом магнитном топологическом изоляторе MnBi0.5Sb1.5Te4 //Физика твердого тела. - 2021. - Т. 63. - №. 8. - С. 1062-1067.
  15. Вальков В.В., Злотников А.О., Гамов А. Взаимосвязь магнетизма и топологии в MnBi2Te4 //Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 2023. - Т. 118. - №. 5. - С. 330-337.
  16. Köpf M. et al. Influence of magnetic ordering on the optical response of the antiferromagnetic topological insulator MnBi2Te4 //Physical Review B. - 2020. - V. 102. - №. 16. - P. 165139. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.165139
  17. Tomarchio L. et al. Electrodynamics of MnBi2Te4 intrinsic magnetic topological insulators //NPG Asia Materials. - 2022. - V. 14. - №. 1. - P. 82. https://doi.org/10.1038/s41427-022-00429-w
  18. Lee S.H. et al. Spin scattering and noncollinear spin structure-induced intrinsic anomalous Hall effect in antiferromagnetic topological insulator MnBi2Te4 //Physical Review Research. - 2019. - V. 1. - №. 1. - P. 012011. https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.1.012011
  19. Zeugner A. et al. Chemical aspects of the candidate antiferromagnetic topological insulator MnBi2Te4 //Chemistry of Materials. - 2019. - V. 31. - №. 8. - P. 2795-2806. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.8b05017
  20. Marchenkov V.V. et al. Temperature breakdown phenomenon in tungsten single crystals at high magnetic fields //Journal of low temperature physics. - 1995. - V. 98. - P. 425-447. https://doi.org/10.1007/BF00752277
  21. Hosur P., Parameswaran S. A., Vishwanath A. Charge transport in Weyl semimetals //Physical review letters. - 2012. - V. 108. - №. 4. - P. 046602. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.046602
  22. Bacsi A., Virosztek A. Low-frequency optical conductivity in graphene and in other scale-invariant two-band systems //Physical Review B. - 2013. - V. 87. - №. 12. - P. 125425. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.87.125425
  23. Zhukova E. S. et al. Infrared optical conductivity of Bulk Bi2Te2Se //Crystals. - 2020. - V. 10. - №. 7. - P. 553. https://doi.org/10.3390/cryst10070553
  24. Chen Y. J. et al. Topological electronic structure and its temperature evolution in antiferromagnetic topological insulator MnBi2Te4 //Physical Review X. - 2019. - V. 9. - №. 4. - P. 041040. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.9.041040