Диссертация (1150477), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Каждая терраса имеет свое положение точки Дирака,причем пространственная локализация топологических состояний также оказывается разной. Как показано в работе [128] в соединениях похожего типа если приповерхностный блок89семислойный, то плотность топологических состояний в основном сосредоточена в нем. Вслучае пятислойного приповерхностного блока, топологическое состояние сдвигается глубжев объем кристалла, локализуясь в основном во втором, семислойном, блоке.Действительно, при анализе интенсивностей ФЭСУР данных можно сравнить пространственную локализацию двух типов топологических состояний. При h⌫=60 эВ, то есть наиболее поверхностной энергии, видны оба Дираковских конуса с приблизительно равной интенсивностью. Однако при использовании энергии фотонов 17 эВ легко видеть что DC #1становится существенно ярче чем DC #2.
Отсюда можно заключить о более глубокой локализации конуса Дирака имеющего более высокую энергию связи.4.3Бислой Bi на поверхности Bi2Te2.4Se0.6 сформированный прогревом системыПомимо исследования разних типов 3D топологических изоляторов в последнее времявозрастает интерес к формированию и изучению контакта 2D и 3D топологических изоляторов с целью применения в современной наноэлектронике. В обзоре литературы былопродемонстрировано что одним из наиболее перспективных 2D ТИ является ультратонкаяпленка висмута, толщиной в два слоя, так называемый бислой Bi. Более того, недавно былпредложен очень эффективный метод создания пленок Bi на поверхности 3D ТИ – путемпрогрева теллурида висмута в сверхвысоком вакууме.
[93] В данном параграфе будут рассмотрены особенности морфологии поверхности, электронной и спиновой структуры бислояBi полученного путем прогрева 3D ТИ Bi2 Te2.4 Se0.6 .С целью изучения изменений морфологии поверхности при прогреве системы были произведены СТМ измерения в ресурсном центре Физические Методы Исследования Поверхностипри помощи сотрудников центра. Панорамное СТМ изображение полученное для чистой свежесколотой поверхности Bi2 Te2.4 Se0.6 представлено на рисунке 4.8а. Легко видеть, что присколе образуются сравнительно большие однородные и гладкие участки поверхности. Приэтом также наблюдается наличие ступенек, что характерно для слоистых монокристаллов.Путем построения профиля сечения поверхности можно оценить перепад высоты на ступеньках.
Профиль вдоль пунктирной линии представлен на рис. 4.8е, вверху, откуда можнозаключить что высота ступенек оказывается около 9-10 Å. Такой перепад соответствует высоте одного пятислойного блока, обозначенного QL (quintuple layer) в халькогенидах висмута. [127]90Bi2QLT=300O CQLBi2QLT=400O CQLBi2QLBi2Bi2Bi2Bi2QL°°Te/SeBi2Te2.4Se0.6T=400O CQLBi2Интенсивность (Отн.
ед.)hν=120 eV2.0Bi 5d1.5QLQL1.00.5ДопрогреваQL0.00.00.10.5 µ0.21.00.8ПослепрогреваBi бислойBi бислойBi20.60.20.0QLBi2Bi2°0.00.10.20.5Энергия связи (эВ)Рисунок 4.8: (а) Панорамные СТМ изображения для чистой поверхности Bi2 Te2.4 Se0.6 (Напряжение на орбазце +1.32 В, туннельный ток 5 пА), (б) поверхности после прогрева 300С (Напряжение на орбазце +1.34 В, туннельный ток 10 пА) и (в) после прогрева 400 С(Напряжение на орбазце +1.34 В, туннельный ток 5 пА). (г) Схематичные изображенияформирования бислоя Bi на поверхности образца.
(д) ФЭС спектры остовных уровней измеренные при нормальной эмиссии до (вверху) и после прогрева (внизу). (е) Профили вдольлиний, отмеченых на (а) (вверху) и (в) (внизу).91На поверхности структура пятислойных блоков может быть существенно изменена путем прогрева образца. В работах [93, 94] было продемонстрировано что при прогреве Bi2 Te3до 400-450 С атомы теллура в поверхностном блоке десорбируются с поверхности, так чтоостается только два слоя висмута.
Атомы висмута могут диффундировать по поверхностии интеркалироваться в ван-дер-Ваальсов промежуток. Однако авторами было показано чтобольшая часть атомов формирует бислой Bi на поверхности образца. Такое поведение можнообъяснить также фазовым переходом на поверхности теллурида висмута, при котором энергетически выгоднее становятся соединения содержащие бислой Bi, в соответствии с фазовойдиаграммой. [130]Аналогичное поведение можно ожидать для кристалла Bi2 Te2.4 Se0.6 , для его исследованиябыли измерены СТМ изображения после двух стадий прогрева 300 С и 400 С, представленные на рис.
4.8б и в, соответственно. Прогрев системы осуществлялся в сверхвысокомвакууме в течение 10 минут непосредственно после измерения свежесколотого образца. После прогрева до 300С на рисунке (б) видно что помимо плоских террас обусловленныхне измененным пятислойным блоком на поверхности возникают области в виде углубленийразной высоты. Одни имеют перепад высот 9-10 Åпо отношению к не измененному QL, исоответствуют областям где приповерхностный QL полностью разрушился, и на поверхности виден нижний пятислойный блок. Другие углубления имеют перепад ' 6 Å , и могутсоответствовать областям где атомы Te и Se десорбировались, оставив бислой Bi лежащимна нижнем пятислойном блоке.
Действительно, высота бислоя висмута на халькогенидахвисмута составляет около 4 Å. [85,89,93,94] Диаметр образовавшихся углублений составляет20-100 нм и увеличивается с ростом температуры.После прогрева образца до 400 С верхний пятислойный блок практически полностьюисчезает, оставляя большие террасы покрытые бислоем Bi. Как видно из рисунка 4.8в помимо террас Bi бислоя возникших вследствие разрушения верхнего QL, в нижнем QL такженачинают появляться углубления вследствие удаления Te/Se атомов.
На профиле сеченияповерхности вдоль пунктирной линии, представленного на рис. 4.8е (внизу) легко видеть чтовысота областей c Bi бислоем действительно составляет 4 Å . Размер висмутовых островковоказывается довольно большим, до 1 микрона.На рисунке 4.8в приведена схема разрушения поверхностного пятислойного блока и формирования Bi бислоя. Образование Bi бислоя можно также выявить при помощи ФЭС остовных уровней. На рисунке 4.8д представлены спектры Bi 5d уровня до (вверху) и после (внизу)прогрева до 400 С измеренные при нормальной эмиссии фотоэлектронов и энергии фотонов120 эВ. Положение пиков и ширина линии Bi 5d до прогрева образца соответствуют чистой92поверхности халькогенидов висмута и пятислойному блоку на поверхности. [131] После прогрева легко видеть что появляются дополнительные особенности, имеющие меньшую на ' 1эВ энергию связи.
Как показано в работе [131] такое положение пиков соответствует бислоювисмута, расположенному на пятислойном блоке.Для изучения электронной структуры системы были измерены ФЭСУР спектры до ипосле прогрева. На рисунке 4.9а, б представлены фотоэлектронные спектры снятые до ипосле прогрева в направлении ¯K̄ первой поверхностной зоны Бриллюэна. Данные пред-ставлены в виде второй производной N 2 (E)/dE 2 от измеренных спектров. Первоначальнаясистема характеризуется явно выраженными топологическими поверхностными состояниями, которые имеют вид Дираковского конуса с энергией связи в точке Дирака 0.34 eV (рис.4.9а). Спектры были получены после выдержки поверхности образца в вакууме, вследствиечего точка Дирака сдвинулась в сторону увеличения энергии связи по сравнению с даннымиприведенными в параграфе 1.
Также вследствие температурного размытия на уровне Фермиможно видеть особенность, принадлежащую зоне проводимости.Bi2DCKQLKMKk II-1k II-1Рисунок 4.9: (а) ФЭСУР данные в виде второй производной N 2 (E)/dE 2 от измеренныхспектров для Bi2 Te2.4 Se0.6 до и (б) после прогрева. (в) Карты ФЭСУР данных в двух направлениях волнового вектора для системы после прогрева. Данные получены при энергиифотонов 17 эВ.После прогрева до 400 С (рис.
4.9б ) структура Дираковского конуса претерпевает значительные изменения. Как видно из рисунка, электронная структура прогретой системыхарактеризуется двумя типами состояний. Первый тип – состояния, имеющие электронную,близкую к параболической дисперсию и проходящими от 6.2 эВ в ¯ точке до уровня Ферми93при kk '0.2 Å 1 . Второй тип состояний является дырочным и расположен в области энергийсвязи от '0.1 эВ в ¯ точке до 0.6 эВ при kk '0.4 Å 1 . Таким образом, первый тип состоянийновой системы можно отнести к неразрушенным пятислойным блокам, которые оказалсяотделен от объема включениями висмута, вследствие чего точка Дирака сместилась в сторону больших энергий связи на 0.35 eV.
Ранее было показано что при увеличении ван-дерВаальсова промежутка точка Дирака в халькогенидах висмута смещается в сторону увеличения энергии связи. [127] Второй, дырочный тип относится к бислою висмута в соответствиис теоретическими расчетами для похожих структур – бислой висмута на поверхности Bi2 Te3и Bi2 Se3 . [85, 89] Комбинация дырочных состояний бислоя висмута с электронными состояниями 3D ТИ делает возможным существование встроенного p-n перехода на поверхностиобразца.Для получения полной информации о дисперсии электронных состояний в прогретомBi2 Te2.4 Se0.6 были измерены ФЭСУР спектры в двух направлениях волнового вектора.
Онипредставлены в виде 3D карты на рисунке 4.9в. На рисунке хорошо видны дырочные состояния бислоя, не доходящих до уровня Ферми в ¯ точке, а также электроноподобные состоянияне разрушенного пятислойного блока. При уменьшении энергии связи наблюдаются сильныегексагональные искажения этого состояния, которые можно объяснить теми же причинами что и “варпинг” эффект для топологических состояний – взаимодействием с объемнымисостояниями зоны проводимости.
Исходя из полученных данных можно оценить различиягрупповых скоростей на уровне Ферми при различных направлениях: в направлении ¯K̄ее значение (4.6⇥105 м/c) сравнимо по величине со скоростями в Bi2 Te2.4 Se0.6 до прогрева идругих материалах таких как Bi2 Te3 и Bi2 Se3 . В то же время ¯M̄ направлении “варпинг”приводит к уменьшению дисперсии, так что на уровне Фреми групповая скорость оказывается равной нулю. Качественно данный эффект можно наблюдать на рисунке 4.9в в виделучей в направлении ¯M̄ при срезе постоянной энергии. Такое поведение может привестик ярковыраженной анизотропии проводимости, и генерации спин поляризованных токов вопределенных направлениях.На рисунках 4.9б и в в местах пересечения двух типов состояний наблюдаются искажения дисперсий обеих особенностей, что можно объяснить гибридизацией состояний бислояи не разрушенного пятислойного блока.
Для более детального анализа электронной структуры группой проф. Чулковы были проведены ТФП расчеты дисперсионных зависимостейбислоя висмута, лежащего на одном пятислойном блоке Bi2 Te2.4 Se0.6 . Результаты расчетов внаправлениях ¯M̄ и ¯K̄ представлены на рисунке 4.10а с наложенными эксперименталь-ными ФЭСУР зависимостями. Наблюдается качественное согласие теории и эксперимента,94на обеих зависимостях наблюдается параболическое электроноподобное состояние, принадлежащее пятислойному блоку, и дырочные состояния бислоя Bi. Однако эффекты гибридизации и появление локальных запрещенных зон оказываются более яркими в рассчитаннойзонной структуре чем в эксперименте. Данное несоответствие можно объяснить наличиемв прогретом Bi2 Te2.4 Se0.6 на поверхности террас, терминированных пятислойными блокамибез бислоя висмута, а также присутствием дефектов разного рода.//Γ0.0-+S|| /S|| Bi2+S|| /S|| QLspin up0.0spin downЭнергия (эВ)Å-0.2-0.2-0.4-0.4-0.6-0.6Å-0.8-1-1-0.8-0.4-0.20.00.20.4-0.4-0.2kII (Å )Рисунок 4.10: (а) ФЭСУР данные в ¯0.00.2kII (Å )-1-1M̄ и ¯0.40.60.40.20.0Энергия связи (эВ)K̄ направлениях виде второй производ-ной N 2 (E)/dE 2 от измеренных спектров для Bi2 Te2.4 Se0.6 после прогрева и наложенныйТФП расчет зонной структуры бислоя Bi на одном пятислойном блоке Bi2 Te2.4 Se0.6 .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
