Диссертация (1150509), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Лично авторомпредложены способы разложения спектра ЯМР 125Te для ТИ Bi2Te3, объясняющиеналичие двух компонент в спектре, наблюдавшихся для данного соединениявпервые, выявлен термоактивационный характер носителей заряда для Bi 2Te3 иоценена энергия активации, проведены расчеты анизотропии тензора сдвига иизотропного сдвига линий ЯМР для кристалла Bi 2Te3, показано, что длямонокристалла Bi2Se3 термоактивационный характер носителей заряда непроявлялся, построена модель спектра ЯМР 77Se для порошка Bi2Se3.Изложенные в диссертации подходы, методы, а также полученныерезультаты обсуждались совместно с научным руководителем, Е.
В. Чарной,которая осуществляла общее руководство работой и постановку задач. Соавторыпубликаций — А. С. Бугаев, M. K. Lee, L. J. Chang, H. W. Weber и J. C. A. Huang,участвовали в обсуждении полученных результатов. С. В. Наумов,Ю. А. Перевозчикова, В. В. Чистяков, Е. Б. Марченкова и В. В. Марченков —научная группа, которая осуществляла рост и исследовала качествомонокристаллов Bi2Te3 и Bi2Se3. Д. Ю. Нефедов, Д. Ю.
Подорожкин, А. В. Усков иР. Мухамадьяров оказывали помощь при проведении продолжительных ЯМРизмерений при низких температурах в ночное время.Структура диссертационной работы.Диссертационная работа состоит из введения, 8 глав, основных результатовдиссертации, списка публикаций автора по теме диссертации и спискацитируемой литературы.Вглаве 1 приводится краткий обзор основных теоретическихпредставлений о свойствах исследуемых материалов, необходимых длядальнейшего анализа экспериментальных данных, полученных в рамкахнастоящей работы.
В первой части главы 1 рассматриваются недавно открытыетопологические материалы — трехмерные топологические изоляторы. Во второй14части представлены теоретические основы метода ЯМР. В третьей частипроводится обзор литературных данных по исследованию «сильных» трехмерныхтопологических изоляторов Bi2Te3 и Bi2Se3 методом ЯМР.В первой части главы 2 детально описывается процесс выращиванияисследуемых в настоящей работе монокристаллов Bi2Te3 и Bi2Se3 методомБриджмена-Стокбаргера, а также обсуждается форма исследованных в настоящейдиссертации образцов и их структура. Вторая часть данной главы посвященаописанию экспериментального оборудования, деталей эксперимента и методик,применяемых в настоящей работе.В главе 3 приводятся результаты исследования формы спектральных линийЯ М Р 125Te для кристаллического порошка топологического изолятора Bi2Te3высокой чистоты при комнатной температуре в поле 9.4 T.
Впервые былпродемонстрирован двухкомпонентный спектр ЯМР 125Te для порошкатопологического изолятора Bi2Te3. В данной главе был проведен анализ сдвигаНайта, и предложено два подхода к разложению спектра на две линии. Обе линиибыли соотнесены с двумя кристаллографически неэквивалентными позициямителлура Te1 и Te2.
В дальнейшем предложенные в данной главе способымоделирования спектра использовались для расчета параметров спектров ЯМРдля монокристаллических пластин теллурида висмута в главе 5.Глава 4 посвящена исследованиям порошка топологического изолятораBi2Te3 в широком диапазоне температур.
В данной главе приводятся результатыисследования сдвига Найта линий спектра ЯМР 125Te в температурном диапазонеот 16 до 293 K в поле 9.4 T, демонстрируется сильная зависимость сдвига Найтаот температуры и термоактивационный характер носителей заряда,рассчитывается энергия активации. Результаты расчетов показывают, что энергияактивации составляет примерно одну треть ширины запрещенной зоны Bi 2Te3, чтосвидетельствует о сдвиге уровня Ферми к зоне проводимости.Вг л а в е 5 приводятся первые результаты ЯМР-измерениймонокристаллических пластин Bi2Te3 при комнатной температуре в поле 9.4 Т.15Образцы исследовались в двух ориентациях: когда кристаллографическая ось cбыла направлена перпендикулярно и параллельно внешнему магнитному полю B0.Показано, что для обеих ориентаций пластин спектр ЯМР состоит из двухкомпонент.
В рамках двух способов моделирования спектров, предложенных вглаве 3 для разложения спектра порошка Bi 2Te3, были рассчитаны параметрытензора сдвига для монокристаллических пластин теллурида висмута.Глава 6 посвящена ЯМР-измерениям монокристаллических пластин Bi2Te3в двух ориентациях (c ⊥ B0 и c || B0) в температурном диапазоне от 12.5 до 293 K вполе 9.4 Т.
Продемонстрирована сильная зависимость сдвига Найта линийспектра ЯМР 125Te от температуры. Для образца в ориентации c ⊥ B0 была оцененаэнергия активации. Были отмечены особенности в поведении спектров ЯМР суменьшением температуры для другой ориентации монокристаллическихпластин, когда кристаллографическая ось c была направлена параллельновнешнему магнитному полю B0.В главе 7 приведены результаты измерений времени спин-решеточнойрелаксации в Bi2Te3 как для кристаллического порошка, так и длямонокристаллических пластин в обеих ориентациях. Оценена справедливостьсоотношения Корринги для данных образцов. Выяснено, что соотношениеКорринги выполняется при температурах от комнатной вплоть до 130 K.Глава 8 посвящена ЯМР-измерениям монокристалла Bi 2Se3 в двухориентациях (c ⊥ B0 и c || B0) в температурном диапазоне от 11.4 до 293 K в поле9.4 Т.
Показано, что для данного образца сдвиг Найта практически не зависел оттемпературы, что было связано с несовершенством исследуемого кристалласеленида висмута. Плотность носителей заряда не подчиняласьтермоактивационному закону. По данным для монокристалла были рассчитаныпараметры спектра ЯМР 77Se для порошка селенида висмута, и по нимпроизведено моделирование спектра порошка.В конце диссертации приведены основные результаты работы и списокпубликаций автора по теме диссертации, а также список цитируемой литературы.16Глава 1ОбзорВ настоящей главе приводится краткий обзор представлений, необходимыхдля анализа полученных нами экспериментальных данных.
В первой частирассматриваются недавно открытые топологические материалы — трехмерныетопологические изоляторы. Вторая часть посвящена теоретическим основамметода ядерного магнитного резонанса. В третьей части проводится обзорлитературных данных по исследованию 3D ТИ методом ЯМР.1.1. Сильные трехмерные топологические изоляторыВ 2007 году американскими учеными Лиангом Фу и Чарльзом Кейном былотеоретически предсказано существование новых квантовых состояний вещества— трехмерных топологических изоляторов [15], которые были обнаруженыэкспериментально спустя некоторое время [14, 28-30]. 3D ТИ характеризуютсяналичием энергетической щели в объеме материалов, тогда как на поверхностивозникает металлическая проводимость.
Это бесщелевое поверхностноесостояние образуется из нечетного числа дираковских состояний. Поверхностноесостояние с волновым вектором, в котором спин электрона перпендикуляренимпульсу (рис. 1.1), лежит в плоскости поверхности образца [2, 47]. Электронымогут двигаться по поверхности объемного образца практически без потериэнергии. Халькогениды висмута вида Bi2A3, где A — это Te или Se, изучалисьранее из-за своих термоэлектрических свойств [55-58]. Эти соединения относили17Рис. 1.1.
Схема двумерных поверхностных состояний в трехмерном ТИ.Красные и синие полосы представляют собой поверхностные токи спротивоположно направленными спинами, [47].18к узкозонным полупроводникам, но недавно было показано, что такиехалькогениды висмута относятся к 3D топологическим изоляторам.Само название «топологические изоляторы» говорит о том, что материалытакого типа являются диэлектриками или же полупроводниками.
Однакоотличительной особенностью данных веществ является наличие тонкого слоя наих поверхности, обладающего очень хорошей электропроводностью. Термин«топологический» в названии отражает топологические особенности электроннойзонной структуры этих материалов, благодаря которым возникают бесщелевыеповерхностные электронные состояния, устойчивые к рассеянию. Таким образом,данные поверхностные состояния оказываются крайне стабильны и не могут бытьразрушены неоднородностями или примесями. Тем самым обеспечиваетсяпрохождение тока практически без потери энергии.Топология электронной зонной структуры трехмерных ТИ отличается оттопологии пространства, в котором мы живем.
Обычно ее представляют в видецилиндра, который вытянут в направлении, параллельном вектору обратнойрешетки, толщиной в одну постоянную решетки в двух других направлениях [15].Этот цилиндр можно свести к топологически эквивалентному тору с конечнойтолщиной или «пончику». Для 3D ТИ наблюдаются отличия в энергетическомспектре в первой зоне Бриллюэна от энергетического спектра для топологическитривиального диэлектрика [59, 60]. Схематически такой спектр представлен нарисунке 1.2. В топологических изоляторах переход от объема к окружающейсреде (вакуум или диэлектрик) невозможен без возникновения металлическойпроводимости.Топологические изоляторы условно подразделяются на «слабые» и«сильные» в соответствии с природой их поверхностных состояний. Первые неявляются защищенными симметрией относительно обращения времени от слабыхвозмущений [1, 2, 61, 62], тогда как «сильные» ТИ защищены и обладаютсильным спин-орбитальным взаимодействием в объеме [15, 63-65].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
