Размерный эффект в электрических свойствах топологического изолятора Bi2Se3 Введение 2 Семейство соединений Bi2Se3 имеет ромбоэдрическую кристаллическую структуру с пространственной группой 5 ሜ 𝐷3𝑑 (R3𝑚) 3D ТОПОЛОГИЧЕСКИЙ ИЗОЛЯТОР = ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЩЕЛЬ В ОБЪЕМЕ + 2D БЕСЩЕЛЕВЫЕ ПОВЕРХНОСТНЫЕ СОСТОЯНИЯ Цель работы 3 Целью настоящей работы является поиск и изучение размерного эффекта в кинетических коэффициентах электронного транспорта ТИ Bi2Se3 в широком интервале температур и диапазоне толщин образцов. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1. синтез и аттестация (анализ химического состава, рентгеноструктурные исследования) образцов тонких пленок с толщинами от 10 нм до 75 нм и монокристаллов 3D ТИ Bi2Se3; 2. измерение температурных зависимостей электросопротивления в широком интервале температур от 4.2 до 300 К и магнитосопротивления в магнитных полях до 10 Тл; 3. «разделение» поверхностного и объемного вкладов в проводимости синтезированных пленок и монокристаллов и анализ их полевых и температурных зависимостей. Образцы и методика измерений 4 Тонкие пленки ТИ Bi2Se3 были выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии (AdNaNo MBE-9 system) на подложках Al2O3(0001) и имели толщину 10, 20, 30, 40, 50 и 75 нм. Монокристаллический образец Bi2Se3 толщиной 0.65 мм был отщеплен от объемного монокристалла, выращенного путем сплавления стехиометрических смесей высокочистых элементных Bi и Se. Тонкие пленки ТИ Bi2Se3 были синтезированы и структурно аттестованы в группе J.C.A Huang в Национальном университете Чен Гун (National Cheng Kung University), расположенном в городе Тайнань, Тайвань. Монокристалл выращен в группе С.В. Наумова в ИФМ УрО РАН. Измерения электросопротивления и эффекта Холла проводились общепринятым 4-контактным способом на постоянном токе в интервале температур от 4.2 до 300 K. При каждом измерении производилась коммутация направления тока для исключения влияния термоэдс. Электрические контакты из медной проволоки диаметром 50 мкм прикреплялись к пленочным образцам при помощи токопроводящей серебряной пасты, а к монокристаллу приваривались точечной контактной сваркой. Форма образцов была близка к «Холловскому мостику». Аттестация образцов 5 Размерный эффект в проводимости 6 Общая проводимость системы поверхность + объем: ∑ = ∑𝑠𝑢𝑟𝑓. + ∑𝑏𝑢𝑙𝑘 𝑐·𝛿 ∑𝑠𝑢𝑟𝑓. = 𝜎𝑠𝑢𝑟𝑓. · 𝐿 𝑐 · (𝑑 − 𝛿) ∑𝑏𝑢𝑙𝑘 = 𝜎𝑏𝑢𝑙𝑘 · 𝐿 𝜎· 𝑐·𝑑 𝑐·𝛿 𝑐 · (𝑑 − 𝛿) = 𝜎𝑠𝑢𝑟𝑓. · + 𝜎𝑏𝑢𝑙𝑘 · 𝐿 𝐿 𝐿 𝜎𝑠𝑢𝑟𝑓. ≫ 𝜎𝑏𝑢𝑙𝑘 d – толщина пленки; c – ширина пленки; L – расстояние между потенциальными контактами; δ – толщина приповерхностного проводящего слоя 𝜹 𝝈 ≈ 𝝈𝒔𝒖𝒓𝒇. · + 𝝈𝒃𝒖𝒍𝒌 𝒅 𝝈 = 𝒇 𝒅−𝟏 Методика разделения объемной и поверхностной проводимостей 7 Структура Bi2Se3 Толщина приповерхностного слоя δ 8 Как показано на рисунке на слайде 2, элементарная ячейка Bi2Se3 состоит из трех квин-слоев. Параметр решетки для Bi2Se3 - c = 28.64 Å. Таким образом, высота одного квин-слоя составляет 28.64 / 3 = 9.55 Å ≈ 1 нм. Из ARPES исследований пленок разных толщин при комнатной температуре следует, что минимальная толщина образца Bi2Se3, при которой сохраняются топологические свойства – это 6 квин слоев. Учитывая слоистую структуру Bi2Se3, состоящую из квин-слоев, толщина одного приповерхностного проводящего слоя δ* не может быть меньше высоты одного квин-слоя, т.е. 1 нм. Применив данную оценку к образцу минимальной толщины, можно убедиться, что выделяемая толщина поверхностного слоя (2 поверхности с толщиной δ*) меньше, чем остаток от общей толщины, т.е. той величины, что приходится на «объем» образца. Следовательно, данная оценка общей толщины приповерхностного слоя (δ~2 нм) является справедливой. Электропроводность 9 Измерения электросопротивления без магнитного поля были проведены в диапазоне температур от 4.2 К до 300 К, а в поле 10 Тл – в диапазоне от 4.2 К до 80 К. Температурные зависимости электропроводности 𝜎0 ≈ (слева) и 𝜎𝑥𝑥 ≈ 𝜌𝑥𝑥 2 + 𝜌𝑥𝑦 2 𝜌𝑥𝑥 1 𝜌0 без магнитного поля в магнитном поле 10 Тл (справа). Можно заметить существенную зависимость удельной проводимости от толщины образца. Размерный эффект в проводимости в магнитном поле 10 Тл 10 Размерный эффект в электропроводности при температурах: (а) Т = 4.2 К, (б) Т = 78 К, (в) Т = 300 К. Экспериментальные точки соответствуют тонким пленкам толщиной 10, 20, 30, 40, 50, 75 нм и монокристаллу толщиной 0.65 мм (эта точка расположена практически на оси Оу.). Видно, что имеется достаточно хорошее согласие между расчетом и экспериментом. Можно отметить, что с ростом температуры линейность экспериментальной зависимости сохраняется, вплоть до 300 К экспериментальные точки находятся в доверительном интервале используемой математической модели. Размерный эффект в проводимости без магнитного поля 11 Размерный эффект в электропроводности в магнитном поле 10 Тл при температурах: (а) Т = 4.2 К, (б) Т = 80 К. Численные оценки поверхностного и объемного вкладов в общую проводимость 𝜎0об. Т = 4.2 К: Т = 80 К: Т = 300 К: ~ 1.4·103 Сименс·см-1, 𝜎0об. ~ 1.2·103 Сименс·см-1, 𝜎0об. ~ 0.66·103 Сименс·см-1, 𝜎0пов. ~ 4.6·103 Сименс·см-1, 𝜎0пов. ~ 3.5·103 Сименс·см-1, 𝜎0пов. ~ 0.63·103 Сименс·см-1. об. ~ 0.77·103 Сименс·см-1, об. 𝜎𝑥𝑥 𝜎𝑥𝑥 ~ 0.73·103 Сименс·см-1, пов. ~ 4.2·103 Сименс·см-1 пов. 3 -1 𝜎𝑥𝑥 , 𝜎𝑥𝑥 ~ 3.3·10 Сименс·см , Разделение вкладов поверхности и объема в общую проводимость 12 (а) Температурные зависимости поверхностного и объемного вкладов в общую проводимость; (б) – Температурная зависимость отношения плотности токов на поверхности и в объеме образцов Bi2Se3 без магнитного поля. С повышением температуры влияние особенностей поверхностного электронного транспорта на формирование общей электропроводности уменьшается, что приводит к уменьшению неравномерности распределения плотности тока по поперечному сечению образца. Разделение вкладов поверхности и объема в общую проводимость 13 Поверхностные вклады в проводимость уменьшаются с температурой, как это должно быть для топологически защищенных проводящих состояний на поверхности ТИ. Объемный вклад в проводимость также уменьшается с температурой, поскольку Bi2Se3 имеет сравнительно небольшую щель в своем энергетическом спектре электронов на уровне Ферми. Это приводит к тому, что рассеяние носителей заряда начинает играть основную роль в формировании его проводимости. В результате, объемная проводимость уменьшается с температурой из-за процессов рассеяния. Упругое обратное рассеяние носителей тока в приповерхностном слое запрещено, если отсутствуют магнитные примеси. В нашем случае магнитные примеси отсутствуют, и механизмы рассеяния для таких «приповерхностных» носителей должны быть аналогичны механизмам в чистых металлах, то есть приводить к изменению длины свободного пробега электронов проводимости и, следовательно, возникновению «металлического» типа проводимости с температурой. Заключение 14 В ходе выполнения данной работы были исследованы и изучены особенности электронных транспортных свойств в ТИ Bi2Se3 и обнаружен размерный эффект – линейная зависимость удельной электропроводности от обратной толщины образца. Установлено, что: ➢ линейная зависимость электропроводности от обратной толщины образца сохраняется как в широком диапазоне толщин образцов, так и в широком диапазоне температур. ➢ экспериментально возможно «разделить» объемный и поверхностный вклады в общую проводимость TI Bi2Se3. ➢ численная оценка поверхностного вклада в проводимость значительно (а в магнитном поле почти на порядок) превышает значение объемного. Однако, с повышением температуры наблюдается значительное уменьшение вклада поверхности в общую проводимость. Выводы 15 В результате, можно сделать вывод, что электропроводность в Bi2Se3 определяется в основном процессами рассеяния носителей заряда. Полученные результаты могут быть использованы для «разделения» и оценки значений поверхностной и объемной проводимости также в других ТИ и системах с неравномерным распределением постоянного тока по сечению образца. Результаты настоящей работы опубликованы в 4 статьях в журналах WoS и Scopus. СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
