Автореферат (1150507)
Текст из файла
На правах рукописиАнтоненко Анастасия ОлеговнаЯдерный магнитный резонанс втопологических изоляторах Bi2Te3 и Bi2Se3Специальность 01.04.07 — Физика конденсированного состоянияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург - 2018Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университетеНаучныйЧарная Елена Владимировнаруководитель: доктор физико-математических наук, профессор,профессор кафедры физики твердого тела ФГБОУ ВО «СанктПетербургский государственный университет»Официальныеоппоненты:Немов Сергей Александровичдоктор физико-математических наук, профессор,профессор кафедры «Технология и исследование материалов»ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехническийуниверситет Петра Великого»Скрипов Александр Владимировичдоктор физико-математических наук, старший научныйсотрудник, главный научный сотрудник лабораториикинетических явлений Института физики металлов имениМ.Н.
Михеева УрО РАН, г. ЕкатеринбургВедущаяорганизация:Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российскойакадемии наук, г. Санкт-ПетербургЗащита состоится «___» ___________ 2018 г. в _______ на заседаниидиссертационного совета Д 212.232.33 по защите диссертаций на соисканиеученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук набазе Санкт-Петербургского государственного университета по адресу:198504, Санкт-Петербург, Петродворец, Ульяновская ул., д.
1, малыйконференц-зал.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. М. ГорькогоСанкт-Петербургского государственного университета по адресу: 199034,Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7/9. Диссертация и авторефератдиссертации размещены на сайте https://disser.spbu.ru.Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьбанаправлять по адресу: 198504, Санкт-Петербург, Петродворец, Ульяновская ул.,д. 1, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.232.33 А.М. Поляничко.Автореферат разослан «___»_____________2018 г.Ученый секретарьдиссертационного советак.
ф.-м. наук, доцентА.М. Поляничко3 3Общая характеристика работыАктуальность темы. В настоящее время одной из наиболее актуальныхзадач физики твердого тела является поиск и проведение исследований новыхматериалов, демонстрирующих уникальные электронные свойства. Недавно былообнаружено существование широкого класса кристаллических материалов снетривиальной топологией, приводящей к возникновению необычныхэлектронных состояний. К ним относятся, например, вейлевские полуметаллы итопологические изоляторы.Отличительной особенностью трехмерных топологических изоляторов (ТИ)является наличие энергетической щели в объеме материала и металлическойпроводимости, которая возникает на поверхности.
Необычные свойстваповерхности ТИ, а именно, наличие бесщелевых поверхностных состояний,благодаря которым спин-поляризованный ток течет по поверхности практическибез потери энергии, дают потенциальную возможность для их использования вспинтронике и оптоэлектронике, а также для создания новыхмагнитоэлектрических приборов и квантовых компьютеров.Несмотря на значительный интерес к ТИ, возникший после их обнаружения,подробных исследований свойств ТИ методом ядерного магнитного резонанса(ЯМР) до сегодняшнего дня не проводилось.
Более того, в научной литературеполностью отсутствовали данные ЯМР-измерений в ТИ в широком диапазонетемператур вплоть до гелиевых. Поскольку ЯМР позволяет получать ценнуюинформацию о локальных свойствах кристаллических материалов, топредставляется важным и целесообразным применить этот метод для изученияособенностей электронной подсистемы в трехмерных ТИ. Сдвиг и форма линийспектра ЯМР и скорость спиновой релаксации зависят от спиновой поляризацииэлектронов и электрон-ядерного сверхтонкого взаимодействия, что особенносущественно для ТИ, так как нетривиальная топология ТИ связана с инверсиейзон в присутствии сильной спин-орбитальной связи.4 4Целью настоящей диссертационной работы является изучение спектровЯ М Р 125Te в теллуриде висмута, Bi2Te3, в широком диапазоне температур,интерпретация вида спектров, выделение вклада в сдвиги компонент спектровЯМР взаимодействия с подвижными носителями заряда, исследование процессовядерной спин-решеточной релаксации 125Te в Bi2Te3 и выяснение применимости кним соотношения Корринги, а также исследование спектров ЯМР 77Se в селенидевисмута, Bi2Se3, в широком температурном диапазоне и их интерпретация.В соответствии с целью диссертационной работы были поставленыследующие задачи:1.
Выявить оптимальную методику получения спектров ЯМР 125Te и 77Se втеллуриде и селениде висмута соответственно при условии слабых сигналови широких резонансных линий.2. Получить спектры ЯМР 125Te для порошка Bi2Te3 при комнатнойтемпературе. Провести анализ вида спектров и моделирование спектров сучетом кристаллической структуры Bi2Te3. Исследовать температурнуюэволюцию спектров ЯМР. Разделить вклады различных механизмов всдвиги резонансной частоты.
Выделить вклад в сдвиги взаимодействия ядерс носителями заряда и найти в случае установления термоактивационногохарактера концентрации подвижных зарядов соответствующие энергииактивации.3. Исследовать процессы ядерной спин-решеточной релаксации125Te впорошке и монокристаллах ТИ Bi2Te3 для отдельных компонент спектраЯМР. Оценить применимость соотношения Корринги.4. Получить спектры ЯМР 125Te для ориентированных монокристаллическихобразцов Bi2Te3 в широком диапазоне температур. Провести сопоставлениерезультатов моделирования спектров, полученных на основании измеренийдля порошка Bi2Te3, с данными для монокристаллов. По температурнымзависимостям сдвигов компонент спектров ЯМР, найденных длямонокристаллов, рассчитать энергию активации и проанализироватьсогласованность полученных результатов с расчетами для порошка.5 5Выявить аномалии спектров ЯМР при низких температурах.5.
Получить спектры ЯМР 77Se в кристаллах ТИ Bi2Se3 в широком диапазонетемператур. Провести интерпретацию спектров на основе данных окристаллической структуре Bi2Se3. Выявить изменения с температуройсдвигов резонансных частот. Исследовать особенности спектров ЯМР принизких температурах.Научная новизна.1. Впервые продемонстрирован двухкомпонентный спектр ЯМР 125Te дляпорошка и монокристаллических образцов Bi 2Te3.
Наблюдаемые линиисоотнесены с двумя кристаллографически неэквивалентными позициямиTe1 и Te2. Определены значения компонент тензора сдвига линий ЯМР прикомнатной температуре.2. Впервые проведены детальные исследования температурной зависимостисдвигов компонент спектра 125Te в топологическом изоляторе Bi2Te3 вшироком диапазоне температур. Продемонстрирован термоактивационныйхарактер сдвига Найта, обусловленный изменением концентрацииносителей заряда.
Рассчитаны значения энергии активации, отвечающиесдвигу уровня Ферми к зоне проводимости. Показано, что энергияактивации совпадает для обеих компонент спектра ЯМР.3. Впервые измерены времена спин-решеточной релаксации длямонокристалла Bi2Te3 в сравнении с порошком, приготовленным из того жекристалла.
Для монокристаллического и порошкового образцовпродемонстрирована применимость соотношения Корринги притемпературах выше 130 K.4. Впервые проведены детальные исследования температурной зависимостиспектров ЯМР 77Se в монокристалле Bi2Se3. Показано, что сдвиг компонентспектра слабо изменяется при понижении температуры от комнатной до11.4 K в отличие от ситуации, наблюдаемой для Bi 2Te3. Для интерпретацииспектра 77Se предложена модель, учитывающая наличие двух положений6 6селена, Se1 и Se2, в кристаллической решетке. Оценены изотропный сдвиг ианизотропия тензора сдвига.5. Впервые обнаружен аномальный вид спектров ЯМР 125Te в Bi2Te3 и 77Se вBi2Se3 при низкой температуре для монокристаллов в ориентации, прикоторой кристаллографическая ось c была направлена параллельновнешнему магнитному полю.
При этом нарушалась пропорциональностьмежду интенсивностями компонент спектра и числом ионов в двухкристаллографических позициях.Положения, выносимые на защиту:1. Спектры ЯМР 125Te в кристаллическом порошке Bi2Te3 состоят из двухкомпонент, которые не связаны с вкладом поверхности и могут бытьобъяснены наличием двух кристаллографически неэквивалентных позицийионов теллура Te1 и Te2. Соотношение интенсивностей компонент спектрасоответствует отношению числа ионов в позициях Te1 и Te2.2. Спектры ЯМР 125Te в монокристаллах Bi2Te3 при ориентации с ⊥ B0 во всемисследуемом температурном диапазоне и при ориентации с || B0 выше 130 Kсогласуются с результатами моделирования спектра порошка.
СпектрыЯМР 125Te для с || B0 при более низких температурах противоречат видуспектров порошка. При этом изотропные сдвиги и интенсивностикомпонент спектра имеют аномальные величины по отношению к спектрупорошка.3. Температурные зависимости положений компонент спектра ЯМР 125Te дляпорошка и монокристаллов Bi2Te3 в ориентации с ⊥ B0 определяютсяуменьшением сдвига Найта с понижением температуры, обусловленнымтермоактивационной природой носителей заряда. Энергии активации,рассчитанные для позиций Te1 и Te2, совпадают в пределахэкспериментальной погрешности.4.
Ядерная спин-решеточная релаксация 125Te в порошке и монокристаллахBi2Te3 подчиняется экспоненциальному закону. При комнатной температуре7 7время спин-решеточной релаксации для компоненты спектра,соответствующей позиции Te1, значительно короче, чем для второйкомпоненты спектра. Время релаксации увеличивается при уменьшениитемпературы до 130 K в соответствии с соотношением Корринги.5.
Спектры ЯМР 77Se при низкой температуре для монокристалла Bi2Se3 вориентации с ⊥ B0 состоят из двух компонент, связанных с наличием двухкристаллографически неэквивалентных позиций ионов селена Se1 и Se2, чтосогласуется с данными других авторов, полученными при комнатнойтемпературе. Положение компоненты спектра ЯМР 77Se, соответствующеепозиции Se1, имеет слабую зависимость от температуры, что обусловленобольшой концентрацией носителей заряда дефектной природы.Интенсивности компонент спектра Я М Р 77Se для монокристалла Bi2Se3 вориентации с || B0 при низкой температуре имеют аномальные величины поотношению к спектрам в другой ориентации.Научная и практическая значимость.Топологические изоляторыявляются новым классом материалов, которые благодаря особым свойствамповерхностных состояний, в частности, сильной связи спина электрона с егоимпульсом, рассматриваются в качестве перспективных материалов всп и н тро н и к е и оп т оэл ек т ронике , а так ж е для разр абот ки новыхмагнитоэлектрических приборов и квантовых компьютеров.Полученные в настоящей работе результаты для величин сдвигов линийЯМР и скорости спиновой релаксации, обусловленных электрон-ядернымвзаимодействием, дают информацию об электронной подсистеме и могут бытьиспользованы на практике при разработке элементов и устройств на основе ТИ.Кроме того, полученные результаты могут служить основой для дальнейшихтеоретических и экспериментальных исследований особенностей электронныхсвойств в трехмерных ТИ, а также для построения теоретических моделейвзаимодействия ядер и электронов при наличии сильной спин-орбитальной связи.8 8Степень достоверности и апробация результатов.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
