Диссертация (1150509)
Текст из файла
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»(СПбГУ)На правах рукописиАнтоненко Анастасия ОлеговнаЯдерный магнитный резонанс втопологических изоляторах Bi2Te3 и Bi2Se3Специальность 01.04.07 — Физика конденсированного состоянияДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорЧарная Елена ВладимировнаСанкт-Петербург - 20182ОглавлениеВведение.................................................................................................................4Глава 1. Обзор......................................................................................................161.1. Сильные трехмерные топологические изоляторы............................161.2. Теоретические основы метода ЯМР...................................................211.3.
Обзор исследований «сильных» топологических изоляторов Bi 2Te3и Bi2Se3 методом ЯМР.................................................................................27Глава 2. Экспериментальное оборудование и образцы...................................332.1. Исследуемые образцы..........................................................................332.2. Экспериментальное оборудование и детали эксперимента.............39Глава 3. Измерения спектров ЯМР 125Te для кристаллического порошкатопологического изолятора Bi2Te3 при комнатной температуре....................483.1. Введение................................................................................................483.2. Экспериментальные результаты.........................................................483.3.
Анализ спектров...................................................................................503.4. Заключение...........................................................................................52Глава 4. ЯМР-измерения порошка топологического изолятора Bi 2Te3 вшироком интервале температур.........................................................................534.1. Введение................................................................................................534.2.
Экспериментальные результаты.........................................................534.3. Анализ температурных зависимостей................................................554.4. Заключение...........................................................................................61Глава 5. ЯМР-измерения монокристаллических пластин Bi 2Te3 в двухориентациях при комнатной температуре........................................................625.1. Введение................................................................................................6235.2.
Экспериментальные результаты и обсуждение................................635.3. Заключение...........................................................................................67Глава 6. ЯМР-измерения монокристаллических пластин Bi2Te3 в широкомдиапазоне температур.........................................................................................686.1. Введение................................................................................................686.2. Экспериментальные результаты и обсуждение................................686.2.1.
Монокристаллические пластины Bi2Te3 в ориентации c ⊥ B0.....716.2.2. Монокристаллические пластины Bi2Te3 в ориентации c || B0......756.3. Заключение...........................................................................................76Глава 7. Измерения времени спин-решеточной релаксации в Bi2Te3.............787.1. Введение................................................................................................787.2. Эксперимент и обсуждение результатов...........................................817.3.
Заключение...........................................................................................88Глава 8. ЯМР-измерения монокристаллической пластины Bi 2Se3 приразличных температурах....................................................................................908.1. Введение................................................................................................908.2.
Экспериментальные результаты и обсуждение................................908.2.1. Монокристалл Bi2Se3 в ориентации c || B0.....................................938.2.2. Монокристалл Bi2Se3 в ориентации с ⊥ B0....................................968.3. Заключение.........................................................................................102Основные результаты диссертационной работы............................................104Публикации по теме диссертации...................................................................107Литература.........................................................................................................1094ВведениеВ настоящее время одной из наиболее актуальных задач физики твердоготела является поиск и проведение исследований новых материалов,демонстрирующих уникальные электронные свойства.
Недавно было обнаруженосуществование широкого класса кристаллических материалов с нетривиальнойтопологией, приводящей к возникновению необычных электронных состояний. Кним относятся, например, вейлевские полуметаллы и топологические изоляторы.Открытие топологических фаз материи в реальных системах является одним изнаиболее ярких событий физики конденсированного состояния XXI века. Оновызвало значительный интерес в научном мире [1, 2] и привело к интенсивномуизучению данной тематики [3-14].
Существование трехмерных (3D)топологических изоляторов (ТИ) в системах с инверсией зонной структурыэлектронов, обусловленной сильным спин-орбитальным взаимодействием, былосначала предсказано теоретически, и только в последнее время эти материалыбыли найдены экспериментально [15]. Показано, что такие халькогениды висмута,как Bi2Te3 и Bi2Se3, относятся к трехмерным ТИ.
Ранее соединения Bi 2Te3 и Bi2Se3были широко известны как узкозонные полупроводники и применялись напрактике благодаря своим термоэлектрическим свойствам [16-25].Отличительной особенностью трехмерных топологических изоляторовявляется 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 энергопотерь, дают потенциальную возможность для их использования вспинтронике и оптоэлектронике, а также для создания новыхмагнитоэлектрических приборов и квантовых компьютеров [1, 26, 27].5Наиболее прямая информация о ТИ была получена методомфотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES)ифотоэмиссионной спектроскопии с разрешением по спину (spin-ARPES) [16, 2839].
С помощью этих экспериментальных техник были визуализированыбесщелевые поверхностные состояния. Измерения транспортных характеристикподтвердили эти данные [7, 40, 41]. Значительно меньше исследований былопроведено другими методами. Стоит отметить, что упомянутые выше методикилучше всего работают для высококачественных тонких пленок ТИ (толщинойменее 20 nm) или для крупных монокристаллов и при низких температурах (ниже30 K) [1, 25, 26, 40-46].
Кроме того, например, для ARPES-экспериментовтребуются образцы с очень чистой плоской поверхностью [47]. Однако,существует потребность в характеристике свойств материалов при комнатнойтемпературе и, более того, материалов, не обладающих очень высоким качеством.В качестве инструмента, полностью удовлетворяющего таким требованиям, дляхарактеристики свойств топологических изоляторов был предложен методядерного магнитного резонанса [48-53]. Этот метод обладает рядом плюсов посравнению с методиками, упомянутыми выше: (i) возможностью работать вшироком диапазоне температур, (ii) способностью исследовать материалы, необладающие высоким качеством, а также аморфные материалы, (iii)возможностью исследования порошков, а не только монокристаллов, (iv)возможностью исследования материалов с большим количеством дефектовкристаллической решетки.Поскольку ядерный магнитный резонанс (ЯМР) позволяет получать ценнуюинформацию о локальных свойствах кристаллических материалов, топредставляется важным и целесообразным применить ЯМР 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 инверсией6зон в присутствии сильной спин-орбитальной связи. Благодаря тому, что ЯМРприменим в широком диапазоне температур, он дает возможность выявитьмногие характеристики подвижных носителей заряда в объеме образцов и наповерхности.
Кроме того, ЯМР позволяет исследовать неоднородности вэлектронной подсистеме ТИ, обусловленные наличием различных типовточечных дефектов, присущих полупроводниковым кристаллам Bi 2Te3 и Bi2Se3[50-52].Теллурид и селенид висмута имеют, по сравнению с остальнымитопологическими изоляторами, ряд преимуществ для их исследований методомЯМР. Bi2Te3 и Bi2Se3 относительно легко синтезируются в виде монокристалловдостаточно большого размера, что является значительным плюсом припроведении ЯМР-измерений.
Наблюдение сигналов ЯМР возможно на всех ядрах,входящих в молекулярную формулу этих ТИ, несмотря на определенныесложности, требующие использования самого современного оборудования.Сильные ТИ «второго поколения», включающие Bi 2Te3 и Bi2Se3 [28, 29, 54],обладают запрещенной зоной порядка 0.1-0.2 eV, поэтому они сохраняюттопологическую нетривиальность при комнатной температуре [54], что указываетна хорошие перспективы их практического применения.
Однако, несмотря набольшой интерес в мире к экспериментальному изучению трехмерных ТИ[1, 26, 28], до начала наших исследований было опубликовано всего несколькостатей, посвященных ЯМР-исследованиям этих материалов [50-52]. Следуетотметить, что ни в одной из этих работ не проводилось изучение методом ЯМРмонокристаллических образцов Bi2Te3. Позднее, в 2016 году, была опубликованаработа [53], в которой приведены спектры ЯМР при комнатной температуре длямонокристаллов Bi2Te3, выращенных двумя разными способами. Кроме того, внаучной литературе отсутствуют данные об измерениях методом ЯМРтрехмерных ТИ Bi2Te3 и Bi2Se3 в широком температурном диапазоне, а также придостаточно низких температурах, близких к температуре жидкого гелия.
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}
