Диссертация (1150477), страница 7
Текст из файла (страница 7)
[75,77,78] В частности, было показано что положение точки Дирака относительно уровня Ферми может зависеть от концентрации дефектовв объеме образца, а также от изгиба зон на поверхности. [79] С целью вариации расположения31ÅÅÅÅРисунок 1.13: (а,б) Экспериментальные дисперсионные зависимости соединений Bi2 Se3 +Ca (а) и Bi2 Te3 (б) наложенные на рассчитанную зонную структуру.
(в) Спиновая поляризация поверхностных состояний для оси квантования спина направленной в плоскостиповерхности перпендикулярно волновому вектору (Py ) и (г) в плоскоcти поверхности параллельно волновому вектору (Px ) и перпендикулярно плоскости поверхности (Pz ). Спинразрешенные спектры построенные для оси квантования спина направленной в плоскостиповерхности.
(д) Схематическое изображение Дираковского конуса с геликоидальной спиновой структурой. Данные взяты из работы [74]32конуса Дирака в объемной запрещенной зоне а также увеличения поверхностной проводимости были синтезированы и изучены тройные соединения Bi2 Te2 Se и Bi2 Se2 Te. [80–82] Вэтих материалах центральный Te (Se) слой в Bi2 Te3 ( Bi2 Se3 ) заменяется на Se (Te) слой, см.рис. 1.12а. При этом отношение поверхностной проводимости к объемной становится выше на3 порядка чем в бинарных соединениях [83], что позволяет использовать данные материалыдля прототипов устройств в наноэлектронике.Следующим шагом в изучении трехмерных топологических изоляторов является использование четырехкомпонентных стехиометрических составов, для получения идеальных поверхностных характеристик.
В 4 главе будут проанализированы особенности атомной, электронной и спиновой структуры соединений Pb-Bi-Te-Se с различной стехиометрией, являющимися 3D топологическими изоляторами следующего поколения. Также будут выявлены условия для формирования электронной структуры необходимой для непосредственногоприменения 3D ТИ в спинтронике.Другим направлением исследований возможностей применения уникальной структурысистем в топологической фазе в последнее время стало изучение контакта 2D и 3D топологических изоляторов.
[84–86] Как было показано выше, бислой Bi является одним из наиболееперспективных 2D ТИ, так как имеет высокую пространственную локализацию 1D топологических состояний. Более того, недавно был предложен прототип спинового транзисторана краевых состояниях бислоя Bi адсорбированного на 3D ТИ. [87] Изучению особенностейвзаимодействия, электронной и спиновой структуры контактов Bi бислоя с 3D ТИ посвященряд работ [85, 88, 89], при этом многие вопросы остаются нерешенными.В работе [85] бислой Bi был нанесен на чистую поверхность Bi2 Te3 и для получившейсясистемы измерялись фотоэлектронные спектры с угловым разрешением. При этом, кристаллическая структура и постоянные решетки Bi и Bi2 Te3 близки (см.
рис. 1.14а ), рост Biслоя оказывается эпитаксиальным и дифракционные картины показывают структуру (1⇥1).Также авторы методом ТФП рассчитали электронную структуру системы, которая хорошосогласуется с экспериментом. На рис. 1.14б представлены дисперсионные зависимости состояний системы Bi/Bi2 Te3 в сравнении с рассчитанной зонной структурой. Отчетливо виденДираковский конус, который после напыления висмута практически не изменился, а такжедырочные состояния, идущие до уровня Ферми, относящиеся к бислою Bi.Однако данный способ формирования бислоя Bi на 3D ТИ довольно сложен, и представляется трудно применимым для создания устройств.
Недавно было показано что образованиебислоя Bi может получаться непосредственно при росте кристалла Bi2 Se3 , и специальныхусловиях скола кристалла в вакууме. [90,91] Позже авторы работы [92] продемонстрировали33вид сверхувид сбоку(б)(d) 1 BL Bi / Bi2Te3ЭнергияBinding enegyсвязи(eV)(эВ)(а)EF0.20.40.6-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2k -K( -1)0.40.6Рисунок 1.14: (а) Кристаллическая структура Bi(111) и Bi2 Te3 . (б) Экспериментальныедисперсионные зависимости электронных состояний системы Bi/Bi2 Te3 с наложеннымТФП расчетом.
Данные взяты из работы [85]формирования бислоя висмута при помощи выдержки поверхности Bi2 Se3 в атмосфере водорода. Наконец, наиболее эффективный способ недавно был предложен в работах [93, 94].Авторы показали, что прогрев образцов Bi2 Te3 до температур близких к фазовым переходамматериалов приводит к разрушению поверхностных пятислойных блоков, и формированиюбислоя Bi на поверхности ТИ. Методами СТМ и дифракции рентгеновских лучей было продемонстрировано наличие двух типов террас на поверхности после прогрева, соответствующихнеразрушенному пятислойному блоку и бислою Bi.Последняя часть главы 4 будет посвящена исследованию особенностей электронной и спиновой структуры бислоя Bi на поверхности трехмерных топологических изоляторов, сформированному в результате прогрева системы. Полученные результаты будут сравниваться сТФП расчетами для данных систем.
Будут проанализированы эффекты гибридизации состояний принадлежащих бислою и неразрушенным пятислойным блокам и выявлено влияниепрогрева системы на Дираковский конус 3D топологического изолятора.Глава 2Экспериментальные методыисследованияВ данной работе исследования электронной структуры заполненных состояний валентнойзоны а также внутренних уровней проводились методами фотоэлектронной спектроскопии.Для исследования дисперсии занятых состояний использовался метод ФЭС с угловым разрешением.
С целью изучения спиновой структуры состояний валентной зоны применялсяметод ФЭС со спиновым разрешением. Для получения информации о морфологии поверхности проиводились измерения сканирующей туннельной микроскопии.2.1Фотоэлектронная спектроскопияФотоэлектронная спектроскопия (ФЭС) - это наиболее широко используемый и однозначный метод для изучения электронной структуры заполненных состояний на поверхности ив приповерхностной области.
В основе метода лежит фотоэффект. Фотон сталкивается с поверхностью образца, в процессе фотоэффекта освобождается электрон, который затем вылетает в вакуум. Энергия падающего пучка фотонов может быть в ультрафиолетовой (5-100эВ), мягкой рентгеновской (100-1000 эВ) и рентгеновской областях(>1000 эВ).
Рентгеновскаяфотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) или электронная спектроскопия для химическогоанализа (ЭСХА) используется для анализа внутренних или остовных уровней. Ультрафиолетовая ФЭС применяется для изучения валентной зоны и зоны проводимости. В основеметода лежит фотоэлектрический эффект, согласно которому электрон, находящийся в веществе в состоянии с энергией связи EB поглощает фотон с энергией h! и покидает веществос кинетической энергией3435Ekin = h!где= EvacuumEB(2.1),EF ermi - работа выхода материала.Таким образом, определяя кинетическую энергию фотоэлектрона и энергию фотона, можно получать прямую информацию об электронной структуре изучаемых систем.Если применимо одноэлектронное приближение, можно выразить начальное и конечноесостояния в процессе фотоэмиссии как определители Слэйтера для систем с N и N-1 частицами.
Можно показать, что в этом случае энергия связи равна энергии орбитали Хартри-Фока,взятой с обратным знаком: [95, 96]EB =(2.2)✏k .Фотоэлектронный спектр в одноэлектронном приближении может быть выражен какI(EB ) /Xk(EB + ✏k ) / N ( EB ).(2.3)Таким образом, Фотоэлектронный спектр оказывается пропорциональным плотности занятых электронных состояний N (E)Для описания процесса фотоэмиссии существуют две основные модели: трехступенчатаяи одноступенчатая.
В одноступенчатой модели процесс фотоэмиссии рассматривается какнепрерывное одиночное событие, при котором возбужденный фотоэлектрон, переходит в конечное состояние в вакууме, соблюдая соответствующие граничные условия на поверхноститвердого тела.Такое описание оказывается довольно сложным, поэтому процесс фотоэмиссии удобноразбить на три части: (1) возбуждение электрона, (2) прохождение электрона по образцу, (3)выход фотоэлектрона с поверхности.На первом этапе происходит поглощение кванта света, приводящее к возбуждению электрона из начального состояния Ei в конечное Ef . Процесс может быть описан в рамкахквантовой механики при решении нестационарного уравнения Шредингера. Количество возбужденных фотоэлектронов определяется вероятностью перехода из начального состоянияс волновой функциейiв конечноеf,которую в одноэлектронном случае можно получитьиспользуя так называемое золотое правило Ферми:W /2⇡| h |f |Hint |~i||i2 (EfEih⌫),(2.4)36где Hint это гамильтониан взаимодействия электрона с электромагнитным полем, описываемым векторным потенциалом А.
Если длина волны электромагнитного излучения существенно больше размеров атома то векторный потенциал можно считать постоянным вобласти фотовозбуждения, что приводит к так называемому дипольному приближению, прикотором Hint / ~e · ~r, где ~e это вектор поляризации света. При этом оказывается что пере-ходы возможны только между некоторыми из состояний с заданными наборами квантовыхчисел, то есть формируются правила отбора. Для состояний с орбитальными моментами l иl+l переход возможен только еслиl = ±1. Использование циркулярно поляризованногосвета приводит к дополнительному условию на проекцию орбитального моментаml = ±1причем ±1 соответствует противоположным поляризациям, на этом основан метод магнитноциркулярного дихроизма.Вторым этапом является движение возбужденных электронов к поверхности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
