Диссертация (1150477), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Анализ спин-разрешенных ФЭСУР спектров демонстрирует зависимость от спина эффектов непересечения электронных состояний, что приводит кснятию вырождения состояний Дираковского конуса в графене. Величина спиновогорасщепления ⇡ состояний варьируется от 80 до 200 мэВ в зависимости от волновоговектора k, и не может быть описана моделью Рашба, согласно которой расщеплениепостоянно с изменением k.3. Исследованы изменения электронной структуры графена на Ir(111) при интеркаляциимонослоя атомов Pt и выявлен сдвиг точки Дирака в сторону уменьшения энергии связи на 150 мэВ. Обнаружен сдвиг интерфейсных состояний подложки, локализующихсяв объемной запрещенной зоне.
Анализ ФЭСУР данных выявил наличие гибридизацииграфеновых ⇡ и спин-расщепленных интерфейсных состояний, приводящий к модификации спиновой структуры конуса Дирака. Величина спинового расщепления Рашбатипа после интеркаляции уменьшается с 50 до 20 мэВ, при этом вблизи точки K̄ наблюдается рост спинового расщепления.774. При интеркаляции монослоя атомов Pb под графен на Pt(111) обнаружен сдвиг ⇡ зон всторону увеличения энергии связи на 350 мэВ, обусловленный переносом заряда. Верхняя часть конуса Дирака начинает заполняться, меняя тип проводимости с p типа на nтип. Выявлено что эффекты гибридизации Pt 5d и графеновых состояний ослабевают,а в точке Дирака открывается запрещенная зона величиной около 0.2 эВ.
При помощиспин-разрешенных ФЭСУР данных удалось выявить соответствие спиновой структурыконуса Дирака модели Кэйна-Мила для топологической фазы в графене.Глава 4Особенности нового класса 3D и 2Dтопологических изоляторовВ первой главе были рассмотрены основные особенности электронной и спиновой структуры трехмерных топологических изоляторов на основе бинарных соединений типа Bi2 Se3 иBi2 Te3 . [73, 78] Данные материалы характеризуются относительно большой величиной объемной запрещенной зоны (-0.3 eV для Bi2 Se3 и -0.15 eV для Bi2 Te3 ) и ярко выраженнымДираковским конусом поверхностных топологических состояний в области точки ¯ двумерной зоны Бриллюэна.Следующим шагом в изучении 3D топологических изоляторов стало использование тройных соединений Bi2 Te2 Se и Bi2 Se2 Te [120], демонстрирующих более высокое объемное сопротивление и поверхностные транспортные свойства. Ранее было показано [121, 122], чтоиспользование дробной стехиометрии в ряду Bi-Te-Se может привести к еще большей объемной запрещенной зоне, и соответственно, лучшей поверхностной проводимости.
Добавлениемчетвертого компонента, Sb, можно варьировать положение точки Дирака в запрещенной зонеи достигать необходимых для устройств транспортных характеристик. [123] В данной главебудут изучены электронная и спиновая структура валентных состояний и конуса Дирака всоединениях с дробными стехиометриями Bi2 Te2.4 Se0.6 и Bi1 .5Sb1 .5Te1.6 Se1.4 а также проанализирован легкий способ создания 2D топологического изолятора – бислоя Bi на поверхности3D ТИ путем кратковременного прогрева системы.78794.13D топологический изолятор Bi2Te2.4Se0.6Халькогениды висмута Bi2 Se3 и Bi2 Te3 имеют ромбоэдрическую кристаллическую структуру, при этом состоят из пятислойных блоков, разделенных слабым ван-дер-Ваальсовымвзаимодействием.
Как показано на рисунке 4.1а в соединении Bi2 Te3 в каждом пятислойном блоке крайние слои состоят из атомов Te, затем идут слои Bi и в середине вновь слойтеллура. Ранее было показано, что при замещении атомов центрального слоя на Se, то естьв соединении Bi2 Te2 Se (см.
рис. 4.1б) объемная запрещенная зона материала увеличиваетсяи поверхностные транспортные свойства улучшаются. [120] При этом ранее было продемонстрировано что максимальная ширина запрещенной зоны в серии Bi-Te-Se достигается применьших концентрациях Se, то есть в соединении с дробными индексами. [121] В этом случаеатомы Se могут замещают атомы Te как в крайних так и в центральном слоях.(а)(б)(в)Тип 1(г)Тип 2Тип 1Тип 2Рисунок 4.1: (а) Атомная структура Bi2 Te3 , (б) Bi2 Te2 Se и Bi2 Te2.4 Se0.6 с разными положениями Se атомов в Te/Se подрешетке: (в) равномерное распределение; (г) только вцентральном слое пятислойного блока.80В данном параграфе будут изучены электронная и спиновая структура соединенияBi2 Te2.4 Se0.6 , в котором помимо широкой запрещенной зоны были обнаружены повышенныетермоэлектрические свойства.
[122, 124] На рисунке 4.1в,г представлена атомная структурасоединения Bi2 Te2.4 Se0.6 в двух возможных модификациях. В первом случае (Тип 1) атомы Seзамещают атомы Te во всех трех слоях, а во втором (Тип 2) только в центральном. ОбразцыBi2 Te2.4 Se0.6 были выращены методом Бриджмена с использованием смеси ранее синтезированных Bi2 Se3 и Bi2 Te3 соединений.
Непосредственно перед измерениями монокристаллыскалывались в условиях сверхвысокого вакуума.С целью исследования зонной структуры и Дираковского конуса были проведены ФЭСУР измерения с использованием различных энергий фотонов и температур образца.
Нарисунке 4.2 представлены экспериментальные дисперсионные зависимости электронных состояний соединения Bi2 Te2.4 Se0.6 в области точки ¯ вблизи уровня Ферми. Легко видетьконус Дирака, сформированный поверхностными топологическими состояниями, при этомточка Дирака располагается при 0.3 эВ. Близкие значения положения точки Дирака былипродемонстрированы для соединений Bi2 Te2 Se.
[125] Спектры были измерены при разныхтемпературах образца, 4.2а,б откуда видно что положение точки Дирака не зависит от температуры. При этом, после длительной выдержки в сверхвысоком вакууме (1x1010мБар)точка Дирака сдвинулась в сторону меньших энергий связи на 0.05 эВ. Данный эффект связан с адсорбцией молекул остаточных газов в камере и был детально изучен в работе. [74]Было показано, что поверхностный допинг n или p типа, приводящий к сдвигу точки Дирака может быть осуществлен адсорбцией молекул разного вида. Так, адсробция молекул COприводит к p допингу и сдвигу конуса Дирака от уровня Ферми, а NO2 – к уровню Ферми. Важно отметить, что хотя точка Дирака может свдигаться, конус Дирака не пропадаетпосле адсорбции различных молекул, что свидетельствует о топологической защищенностиповерхностных состояний.Из рисунка 4.2 видно что конус Дирака можно разделить на верхнюю нижнюю части,причем верхняя имее ярко выраженную линейную дисперсию, в то время как нижняя изгибается к уровню Ферми с ростом k и только при kk > 0.1 Å1диспергирует в большие энергиисвязи.
Это связано со смешиванием нижней части конуса Дирака с состояниями валентнойзоны, доходящими до энергии связи 0.2 эВ. Использование разных энергий фотонов позволяет разделить состояния и на рисунке 4.2г-е представлены ФЭСУР данные при h⌫ = 57, 47и 21.2 эВ. Видно что использование неполяризованного излучения He лампы (е) приводитк максимальной интенсивности валентных состояний, откуда видно, что валентные состояния диспергируют до энергий связи, меньших чем энергия точки Дирака. Более детально81k II (Å-1)k II (Å-1)k II (Å-1)Рисунок 4.2: (а) Экспериментальные ФЭСУР дисперсионные зависимости Bi2 Te2.4 Se0.6 вобласти точки ¯ и вблизи уровня Ферми измеренные сразу после скола в сверхвысокомвакууме при температуре 18 К, (б) при температуре 300 К и (в) после выдержки в вакуумеоколо 1 часа при энергии фотонов 52 эВ.
(г,д,е) ФЭСУР данные снятые при комнатнойтемпературе и энергий фотонов 57, 47 и 21.2 эВ соответственно.82поведение поверхностных топологических состояний может быть изучено путем сравнения стеоретическими ТФП дисперсионными зависимостями.На рисунке 4.3а изображены рассчитанные при помощи метода ТФП группой проф. Чулкова дисперсионные зависимости для соединений Bi2 Te3 , Bi2 Te2 Se и Bi2 Te2.4 Se0.6 . Можновидеть, что край валентной зоны, расположенный при kk '0.25 Å1в направлении ¯M̄имеет почти одинаковую энергию связи для всех трех материалов. В то же время дно зоныпроводимости сильно зависит от стехиометрии и может достигаться в ¯ точке (для Bi2 Te2 Seи Bi2 Te2.4 Se0.6 1 типа) и при kk '0.15 Å1(для Bi2 Te3 и Bi2 Te2.4 Se0.6 2 типа).
Необходимоотметить, что положение уровеня Ферми может не совпадать с теоретическим вследствиеналичия допинга обусловленного дефектами, а также изгиба зон на поверхности ТИ.Для сравнения теоретических и экспериментальных дисперсионных зависимостей поверхностных топологических состояний на рис. 4.3б они представлены наложенными друг на друга. Легко видеть, что наклон ветвей верхней части конуса Дирака оказывается различнымдля различных соединений. Как было отмечено в Главе 1, наклон дисперсии состояний вконусе Дирака определяет групповую скорость электронов. Так, для Bi2 Te3 она составляет4.04⇥105 м/c а для Bi2 Te2 Se – 5.88⇥105 м/c.
Для соединения Bi2 Te2.4 Se0.6 групповая скоростьсоставляет 4.51⇥105 и 4.75⇥105 м/c что согласуется с экспериментально полученной величиной – 4.5±0.2 м/c, которая получена путем разложения на компоненты ФЭСУР спектров иаппроксимации дисперсионной кривой линейной зависимостью.На рисунках 4.3в,г представлены ФЭСУР и ТФП дисперсионные зависимости электронных состояний валентной зоны в широком диапазоне энергий.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
