三維拓樸絕緣體，其擁有表面可以導電但內部卻屬於絕緣體的特殊性質；近年來成為熱門的研究領域。拓樸保護表面態此種獨特性質使得拓樸絕緣體有潛力成為自旋電子學研究材料。在已發表的文獻中可以得知Bi2Te3系列材料已經被證實為拓樸絕緣體。我們製作了一系列的Bi1.5Sb0.5Te3-ySey材料，希望藉由硒元素的摻雜改變在狄拉克錐體附近的能帶結構以更詳加了解拓樸絕緣體表面性質以及其物理特性。他們的晶格結構為菱形六角面體；當摻雜量y=1.6時，a軸及c軸的晶格常數分別為4.25 Å以及29.80 Å；同時也發現晶格常數隨著硒元素的摻雜量提高而逐漸遞減。為了更進一步了解拓樸絕緣體物理性質，我們做了電阻率、磁阻以及霍爾效應的量測以及分析。電阻率的結果顯示，樣品在高溫時呈現絕緣體的電阻性質，但在低溫時表面態傳導電子開始主導而電阻上升趨勢轉趨於平緩。在霍爾效應中看到低溫至高溫由p-type轉n-type，並且其變化溫度和硒元素摻雜有直接關聯。高溫的n-type載子歸咎於於能隙間的Donor Level受熱後激發電子至傳導帶，最後取代原有的電洞使材料變成n-type。透過阿瑞尼士方程式，可由電阻對溫度曲線計算其活化能，同時可以了解低溫下電阻反曲及載子型態改變之間的關係。我們在磁阻量測中觀察到了弱反局域效應，並且從2 K的數據中顯示此現象和硒元素的摻雜沒有直接關聯性。 / 3D Topological insulator (TI), a type of material that insulates inside bulk and conducts on the surfaces, becomes a popular topic in recent years. The unique topologically protected surface states turn topological insulator to be a potential spintronic material. Bi2Te3 based materials have been studied and identified as topological insulators. In order to study the properties of the surface states, a series of specimens of Bi1.5Sb0.5Te3-ySey (BSTS) with y=1.1, 1.2, 1.4, and 1.6 were fabricated for tuning the band gap around Dirac cone. The lattice structure of Bi1.5Sb0.5Te3-ySey is confirmed to be rhombohedral. For the specimen y=1.4 the lattice constants a ̂ and c ̂are 4.25Å and 29.80Å respectively. The lattice constants decrease with Se substitution increase. To characterize the TI properties, the resistivity, magnetoresistance and Hall effect were studied. Resistivity showed an insulator behavior at high temperatures and surface conduction behavior at low temperatures. The dominate carriers are p-type at low temperatures and become n-type at high temperatures. According to the correlations of resistivity and Hall effect of Bi1.5Sb0.5Te3-ySey, we observed that thermal activation can be tuned by Selenium dopants. The weak anti-localization was also observed in our bulk samples. From the 2 K magnetoresistance, we observed that weak anti-localization was independent on Selenium and Tellurium concentrations in all specimens.

我們主要研究拓樸絕緣體與鐵磁物質之間的自旋幫浦效應（spin pumping effect），我們選用的鐵磁材料是具有鐵磁性的鎳鐵合金（Py），厚度固定為40nm，而拓樸絕緣體則是選用碲化鉍（Bi2Te3），厚度範圍是0～100nm，碲化鉍已被確定為一個三維拓撲絕緣體，拓撲絕緣體其表面電子態呈線性色散關係，本身中心是絕緣體，但其表面容許有導電態。此導電態一個最有用的特性是其電子的動量與自旋維持一定方向關係（spin-momentum locking），這使得以自旋來傳遞訊息成為可能。但是實驗上要達到中心是絕緣體相當困難。 過去的實驗已驗證鐵磁共振（Ferromagnetic resonance，FMR）現象在鐵磁/一般金屬雙層膜以及鐵磁/半導體雙層膜，可以使其鐵磁層產生一純自旋流流向非磁性層，這被稱為自旋幫浦效應（spin pumping effect）。當此自旋流跨越膜面介面時，不同自旋的電子由於自旋軌道耦合作用（Spin–orbit interaction），將發生逆自旋霍爾效應（ISHE）並產生一橫向電荷流。在我們的研究中，鐵磁共振（FMR）現象透過網路分析儀在設定的外加磁場下掃描頻率。測得的共振頻率與磁場作圖並以Kittel equation擬合（fitting）出有效場（effective field）。我們發現於絕對溫度5K，隨著碲化鉍（Bi2Te3）膜厚從0nm到15nm增加時，其有效場也增加，但當薄膜厚度大於15nm時，有效磁場將下降。我們分析碲化鉍（Bi2Te3）的表面態（surface state）與塊材（bulk）對有效場變化之貢獻。