Диссертация (1150509), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В первыхработах по ЯМР 125Te в Bi2Te3 наблюдался спектр, состоящий из одной широкой7компоненты для порошка теллурида висмута и из аналогичной широкой линии сдополнительным слабо выраженным «плечом» в низкочастотной области длямалых частиц Bi2Te3 [50, 51]. Дополнительная компонента спектра теллура былаинтерпретирована как вклад проводящей поверхности [51]. Однокомпонентныйспектр с мало выраженным «плечом» при низких частотах для 125Te наблюдался вболее поздней работе [53], причем природа низкочастотного «плеча» необсуж дал ась . Дл я 77SeвB i2Se3 сообщалось вначале о наблюденииоднокомпонентного спектра [50], но несколько позднее для порошка имонокристалла при комнатной температуре был выявлен спектр, состоящий издвух хорошо разрешенных линий [52]. Таким образом, в опубликованных работахимеются значительные противоречия относительно как вида ЯМР-спектров 125Teи77Se в теллуриде и селениде висмута соответственно, так и интерпретацииспектров и связи отдельных компонент спектра с вкладом поверхности.Целью настоящей диссертационной работы является изучение спектровЯ М Р 125Te в Bi2Te3 в широком диапазоне температур и интерпретация видаспектров, выделение вклада в положение спектра ЯМР взаимодействия сподвижными носителями заряда, исследование процессов спин-решеточнойрелаксации 125Te в Bi2Te3 и выяснение применимости к ним соотношенияКорринги, а также исследование спектров ЯМР 77Se в селениде висмута вшироком 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 с8учетом 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 релаксации 125Te 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.Выявить 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.Для решения поставленных задач необходимо проведение следующихисследований:1. Подборка режимов регистрации спектров ЯМР 125Te и 77Se.2. Измерения суммарных и огибающих спектров изотопов 125Te в ТИ Bi2Te3и77Se в ТИ Bi2Se3 в широком диапазоне температур ниже комнатной наимпульсном ЯМР-спектрометре для порошков и монокристаллических9образцов.3.
Определение температурной зависимости сдвига Найта для изотопов 125Teи 77Se. Расчет энергии активации для концентрации носителей заряда в ТИBi2Te3.4. Интерпретация спектров ЯМР в монокристаллических и порошковыхобразцах на основе данных о двух неэквивалентных позициях теллура иселена в структуре ТИ, а именно, внешних и внутренних атомов впятикратных слоях.5. Выявление экспоненциального характера восстановления ядернойнамагниченности после инверсии 180-градусным импульсом для ТИ Bi 2Te3и расчет времени спин-решеточной релаксации в порошке иориентированных монокристаллических образцах.При проведении исследований использовалось следующееэкспериментальное оборудование: ЯМР-спектрометр Bruker Avance 400 сосверхпроводящим магнитом 9.4 T, позволяющий проводить измерения вдиапазоне температур от 10 до 673 K.
Для контроля ориентации имонокристалличности образцов использовался дифрактометр высокогоразрешения Bruker «D8 DISCOVER».Научная новизна.1. Впервые продемонстрирован двухкомпонентный спектр ЯМР 125Te дляпорошка и монокристаллических образцов Bi2Te3. 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 в10широком диапазоне температур. Продемонстрирован термоактивационныйхарактер сдвига Найта, обусловленный изменением концентрациин оси т ел е й за ря да . Рас сч ита ны зн ач ения эне рг ии ак тив ации ,соответствующие сдвигу уровня Ферми к зоне проводимости. Показано, чтоэнергия активации 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 ТИ Bi2Se3. Показано, что сдвигкомпонент спектра слабо изменяется при понижении температуры откомнатной до 11.4 K в отличие от ситуации, наблюдаемой для Bi 2Te3. Дляинтерпретации спектра 77Se предложена модель, учитывающая наличие Se1и 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, когдакристаллографическая ось c была направлена параллельно внешнемумагнитному полю.
При этом нарушалось соотношение междуинтенсивностями компонент спектра и числом ионов селена в позициях Se1и Se2, а также резко изменялись величины сдвигов резонансных линий.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 позиций11ионов 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 вовсем исследуемом температурном диапазоне и при ориентации с || B0 выше1 3 0 K согласуются с результатами моделирования спектра порошка.Спектры ЯМР 125Te для с || B0 при более низких температурах противоречатвиду спектров порошка.
При этом изотропные сдвиги и интенсивностикомпонент спектра имеют аномальные величины по отношению к спектрупорошка.3. Температурные зависимости положений компонент спектра ЯМР 125Teдля порошка и монокристаллов Bi2Te3 в ориентации с ⊥ B0 определяютсяуменьшением сдвига Найта с понижением температуры, обусловленнымтермоактивационной природой носителей заряда.
Энергия активации,рассчитанная для позиций Te1 и Te2, совпадает в пределахэкспериментальной погрешности.4. Ядерная спин-решеточная релаксация 125Te в порошке и монокристаллахBi2Te3 подчиняется экспоненциальному закону. При комнатной температуревремя спин-решеточной релаксации для компоненты спектра,соответствующей позиции Te1, значительно короче, чем для компонентыспектра, соответствующей позиции Te2. Время релаксации увеличиваетсяпри уменьшении температуры до 130 K в соответствии с соотношениемКорринги.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,что согласуется 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.12Соотношение интенсивностей компонент спектра Я М Р 77Se д л ямонокристалла Bi2Se3 в ориентации с || B0 при низкой температуре несогласуется с числом ионов в позициях Se1 и Se2.Научная и практическая значимость.Топологические изоляторы являются новым классом материалов, которыеблагодаря своим особым свойствам поверхностных состояний, в частности,жесткой связи спина электрона с импульсом, рассматриваются в качествеперспективных материалов в спинтронике и оптоэлектронике, а также длясоздания новых магнитоэлектрических приборов и квантовых компьютеров.Полученные в настоящей работе результаты могут быть использованы напрактике при разработке элементов и устройств на основе ТИ, так как этирезультаты дают информацию об электрон-ядерном взаимодействии.
Кроме того,полученные результаты могут служить основой для дальнейших теоретических иэкспериментальных исследований особенностей свойств электронных подсистемв трехмерных топологических изоляторах, а также для построения теоретическихмоделей, учитывающих наличие сильного спин-орбитального взаимодействия.Личный вклад автора.Основные результаты исследований, представленных в настоящейдиссертации, опубликованы в трех научных статьях [I-III], список которыхприводится в конце диссертации. Подготовка к публикации полученныхрезультатов выполнялась совместно с соавторами, вклад диссертанта вопубликованные работы был определяющим и составлял не менее 80 процентов.А именно, лично автором проведена большая часть измерений спектров ядерногомагнитного резонанса 125Te и 77Se и времен спин-решеточной релаксации порошкаBi2Te3 и монокристаллов Bi2Te3 и Bi2Se3 в широком диапазоне температур, а также13выполнена дальнейшая обработка полученных результатов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
