Диссертация (1150477), страница 19
Текст из файла (страница 19)
(б)Рассчитанная спиновая поляризация и пространственная локализация плотности состояний в системе. Расчеты проведены группой проф. Чулкова. (в) Экспериментальные спинразрешенные ФЭСУР спектры полученные для углов эмиссии, отмеченных на рис. 4.9.Рассчитанная спиновая поляризация состояний в системе бислой Bi/1 QL Bi2 Te2.4 Se0.6представлена на рисунке 4.10б. На рисунке символы также разделены по локализации вбислое и пятислойном блоке, соответственно. Легко видеть, что дырочные состояния висмута оказываются спин-расщепленными, состояние QL поляризовано по спину, а в местахгибридизации наблюдаются спин-зависимые эффекты непересечения.
Экспериментальныеспин-разрешенные спектры снятые при двух углах эмиссии, которые отмечены на рис.4.9бпоказаны на рис. 4.10в. Видно что состояния бислоя и пятислойного блока действительнооказываются спин-поляризованными, однако вследствие меньшей гибридизации представляется более трудным разрешить структуру полученную в расчете на рис. 4.10б.95Таким образом, путем изменения состава или термическим воздействием можно управлять электронной и спиновой структурой поверхностных состояний топологических изоляторов. Для практического применения соединений в устройствах спинтроники и квантовыхкомпьютеров оказывается важным ряд параметров, которые можно получить из анализа полученных ФЭСУР данных.
К этим параметрам относятся: групповая скорость электроновна уровне Ферми, положение точки Дирака и плотность поверхностных носителей заряда.Групповая скорость электронов направлении ¯K̄ оказывается близкой для рассмотренныхматериалов, и равной 4.6±0.2 ⇥ 105 м/c. В то же время плотность поверхностных носителейзаряда, которая пропорциональна площади поверхности Ферми и, соответственно квадра-ту волнового вектора на уровне Ферми существенно различается для разных соединений.
Втаблице 4.1 приведены основные параметры конуса Дирака в различных материалах, рассмотренных в данной работе в сравнении с хорошо изученными системами [74, 129]. Легко видеть что управление положением точки Дирака осуществляется в широком диапазонеэнергий от 0.1 до 0.7 эВ. При этом максимальный волновой вектор Ферми принадлежит соединению PbBi4 Te4 Se3 что свидетельствует о повышенной поверхностной проводимости, ипредставляется перспективным для спин-транспортных приложений.kF в направлении ¯СистемаEB точки Дирака, эВBi2 Te2.4 Se0.60.300.10PbBi2 Te2 Se20.610.25PbBi4 Te4 Se30.55 и 0.700.20 и 0.30Bi2 Te2.4 Se0.6 после прогрева0.62*0.25Bi2 Te30.1-0.350.05-0.12PbBi2 Te40.470.15K̄, Å1Таблица 4.1: Параметры Дираковского конуса в различных 3D топологических изоляторах.Звездочкой отмечено положение минимума параболического состояния.4.4Выводы к главе 4В данном разделе подробно охарактеризованы свойства трехмерных топологических изоляторов Bi2 Te2.4 Se0.6 , PbBi2 Te2 Se2 и PbBi4 Te4 Se3 а также бислоя Bi, образующегося в результате кратковременного прогрева Bi2 Te2.4 Se0.6 .961.
При помощи метода ФЭСУР изучена электронная структура соединения Bi2 Te2.4 Se0.6 ,показано наличие конуса Дирака, сформированного топологическими поверхностнымисостояниями и выявлено что точка Дирака и уровень Ферми лежат в объемной запрещенной зоне материала. Анализ спин-разрешенных ФЭСУР данных продемонстрировал спиновую поляризацию топологических состояний и геликоидальный характерспиновой структуры Дираковского конуса.2.
На основании данных ФЭС установлено наличие конуса Дирака в Pb-содержащих материалах PbBi2 Te2 Se2 и PbBi4 Te4 Se3 и выявлены глубокие положения точек Дирака –0.6 и 0.7 эВ соответственно. Обнаружено наличие двух конусов Дирака в соединенииPbBi4 Te4 Se3 , что удалось объяснить присутствием двух типов террас на поверхностиобразца и подтвердить ФЭС данными для остовных уровней.3. Продемонстрировано образование островков 2D топологического изолятора - бислоя Biна поверхности Bi2 Te2.4 Se0.6 при прогреве системы при помощи СТМ измерений.
АнализФЭСУР данных показал наличие дырочных состояний, соответствующих бислою Bi, атакже замену конуса Дирака электроноподобным состоянием с максимумом энергиисвязи при 6.2 эВ в точке ¯ вследствие изменения атомной структуры на поверхности.Выявлена спиновая поляризация сформированных состояний и эффекты гибридизациимежду ними.ЗаключениеВ работе представлены результаты экспериментального исследования электронной и спиновой структуры систем на основе графена и топологических изоляторов. В качестве такихсистем были выбраны два класса материалов – графен, контактирующий с тяжелыми металлами (Pb, Ir, Pt), и двух- и трехмерные топологические изоляторы с различным составом. Анализ проводился с точки зрения возможности управления уникальной структуройДираковского конуса в этих системах и с целью эффективного применения в устройствахспинтроники и квантовых компьютеров.Путем подбора параметров синтеза графена на монокристалле Pt(111) были выявленыусловия роста преимущественно одного домена графена с кристаллической структурой, соразмерной структуре подложки.
На основе ФЭСУР данных продемонстрировано наличиеконуса Дирака в графене, с положением точки Дирака около 150 мэВ выше уровня Ферми. При помощи использования различных поляризаций синхротронного излучения былипоказаны эффекты гибридизации платиновых 5d и графеновых ⇡ состояний и формирование локальных запрещенных зон в электронной структуре графена. ФЭСУР исследования сразрешением по спину выявили спиновое расщепление состояний графена, причем величинарасщепления оказалась зависящей от волнового вектора. В области гибридизации состоянийграфена и платины наблюдались спин-зависимые эффекты непересечения, которые объясняют нетривиальную спиновую структуру конуса Дирака в графене на Pt(111).При напылении атомов Pt на графен на Ir(111) и последующем отжиге системы, методом ФЭС выявлена интеркаляция Pt атомов под графен и на основе анализа картин ДМЭустановлена их структура, повторяющая структуру подложки.
Экспериментальные ФЭСУРдисперсионные зависимости демонстрируют сдвиг точки Дирака в графене после интеркаляции атомов Pt до 200 мэВ выше уровня Ферми. Детальный анализ ФЭСУР данных показалтакже сдвиг интерфейсных состояний подложки в сторону увеличения энергии связи внутрилокальной запрещенной зоны. При этом при приближении к месту пересечения графеновых ⇡и интерфейсных состояний наблюдались эффекты гибридизации между ними. Анализ спин-9798разрешенных ФЭСУР спектров выявил наличие спин-зависимых эффектов непересечения ивариации спиновой структуры конуса Дирака.
Продемонстрировано уменьшение спиновогорасщепления типа Рашба и увеличение расщепления вблизи уровня Ферми после интеркаляции атомов Pt.На основе анализа ФЭС данных показана интеркаляция монослоя Pb под графен наPt(111) после напыления Pb атомов и прогрева системы. При помощи метода ДМЭ удалосьустановить кристаллическую структуру Pb монослоя, в которой атомы Pb занимают эквивалентные позиции по отношению к графеновой решетке. При этом интеркаляция Pb монослояприводит к сдвигу точки Дирака графена ниже уровня Ферми до 200 мэВ вследствие переноса заряда.
ФЭСУР данные демонстрируют сдвиг ⇡ ⇤ состояния в зону заполненных состояний,а также ослабление гибридизации платиновых и графеновых состояний. Более того, между ⇡и ⇡ ⇤ состояниями обнаружена запрещенная зона которая ранее была предсказана теоретически вследствие индуцированного спин-орбитального взаимодействия в графене при контактес атомами Pb.
Анализ спин-разрешенных данных подтвердил наличие спиновой структурыконуса Дирака, характерной для графена со спин-орбитальной запрещенной зоной.Путем экспериментального исследования дисперсионных состояний валентной зоны в соединениях Bi2 Te2.4 Se0.6 , PbBi2 Te2 Se2 и PbBi4 Te4 Se3 выявлено наличие конуса Дирака, причемположение точек Дирака оказалось различным для разных материалов в широком диапазоне от 0.25 до 0.7 эВ ниже уровня Ферми. При помощи спин-разрешенной фотоэмиссиипродемонстрирована спиновая поляризация конуса Дирака, и ее геликоидальный характер.На основании полученных данных сделан вывод о том, что данные соединения являютсятрехмерными топологическими изоляторами. При этом в электронной структуре соединенияPbBi4 Te4 Se3 выявлено наличие двух конусов Дирака с различной пространственной локализацией и энергией связи.
На основе ФЭС данных удалось связать этот эффект с присутствием на поверхности образца после скола в вакууме двух террас с разной терминацией. Детальный анализ ФЭСУР спектров позволил получить необходимые для спин-транспортныхприменений параметры конуса Дирака, сформированного топологическими поверхностнымисостояниями.При прогреве 3D топологического изолятора Bi2 Te2.4 Se0.6 методом СТМ выявлена перестройка поверхностных слоев и формирование островков бислоя висмута на поверхности.Анализ ФЭСУР данных системы после прогрева подтвердил наличие дырочных состоянийбислоя Bi, а также разрушение конуса Дирака с формированием электроноподобного состояния с минимумом в точке Г при энергии связи 6.2 эВ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
