宋凤麒课题组与费付聪，王学锋课题组合作在本征磁性拓扑绝缘体锰铋碲材料家族生长方面取得进展

近日，南京大学原子制造研究院宋凤麒教授、功能材料与智能制造研究院费付聪助理教授，与电子学院王学锋教授等团队共同合作，在磁性拓扑绝缘体MnBi2nTe3n+1材料家族的晶体生长方面取得重要进展。研究团队通过改进的化学气相传输（CVT）方法，结合反馈调节技术，成功实现了对MnBi2nTe3n+1家族的精准可控合成，并揭示了其磁性随生长温度的可调规律。相关成果以"Synthesis of Intrinsic Magnetic Topological Insulator MnBi2nTe3n+1 Family by Chemical Vapor Transport Method with Feedback Regulation"为题，于2025年3月31日在线发表于国际权威期刊《先进材料》（Advanced Materials）。

磁性拓扑绝缘体中，磁性与拓扑电子结构之间的相互作用可产生许多新奇的量子现象。MnBi2Te4作为首个被预言的本征磁性拓扑绝缘体一直受到持续的关注和研究。其家族中的MnBi4Te7和MnBi6Te10 具有相对更弱的层间反铁磁耦合，为磁性的调控提供了更多的研究空间。然而，MnBi2nTe3n+1 （MBT）家族的晶体在生长过程中对温度非常敏感，生长温度区间很窄，导致重复性成为一个问题，且不同报道中生长出的样品常常在性质上存在差异。针对这样的问题，团队创新性地设计了具有反馈调节的CVT生长系统，通过实时监控生长端温度，利用机械移动的隔热圈动态调整热量传输，实现了生长端温度波动控制在 ± 0.1°C 的高精度调控（图1），成功解决了上述难题，为高质量单晶的可控合成奠定了基础。基于优化的CVT方法，团队改变生长温度区间，系统合成了MnBi2Te4、MnBi4Te7和MnBi6Te10三种相的单晶。

图1. 生长方法与晶体表征。

接着，研究团队对不同相的生长温度进行改变，发现随着生长温度降低，MnBi2Te4的反铁磁耦合减弱，反铁磁转变温度及临界场都有所降低。更引人注目的是，在MnBi4Te7和MnBi6Te10中，通过降低生长端温度，材料可从反铁磁态向铁磁态转变（图2）。

图2. 不同生长温度下MnBi4Te7 的磁性。

这一转变机制与不同生长温度下的锰位缺陷密切相关，结合生长温度与磁转变温度可以得到MBT家族的系统性相图。此外，在优化的MnBi2Te4薄层器件中，团队通过输运测量成功观测到陈绝缘体态的量子化平台，且重复性显著提升（图3）。

图3. 晶体生长相图与MnBi2Te4 的量子化输运。

该研究提供了一种改进的CVT生长方式，可提供精确的温度控制，并系统地研究生长温度的影响。首次构建了MBT家族材料的生长-磁性相图，揭示了温度调控对晶体结构和磁性的关键作用，为探索磁性与拓扑物理的耦合效应提供了丰富的材料体系。

南京大学费付聪助理教授、王学锋教授和宋凤麒教授为共同通讯作者。南京大学博士生张恒为论文第一作者。作者还包括南京大学宋友教授，张祎颖，张勇，陈波，郭静文，杜钰，李佳骏，周福伟，郭冯壹，张永鑫，赵子祥，谢航凯，张志鑫，王天奇，戚无逸等。南京大学为论文唯一完成单位。该项研究工作得到了国家自然基金委、科技部、江苏省科技厅等的联合资助，同时也得到了固体微结构物理国家重点实验室、原子制造研究院、江苏省光电信息功能材料重点实验室、自旋芯片与技术全国重点实验室和人工微结构科学与技术协同创新中心等研究平台的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202405686