Электронная структура и магнито-электрические свойства магнитно-допированных топологических изоляторов
|
Введение…………………………………………………………………………………………3
Глава 1. Обзор литературы
1.1 Топологические изоляторы
1.2 Кристаллическая и электронная структура топологических
изоляторов…
1.3 Магнитные свойства трехмерных топологических изоляторов……………………….11
Глава 2. Методы синтеза и исследования образцов
2.1. Модифицированный метод Бриджмена
2.2. Фотоэлектронная спектроскопия…………………………………………………………18
2.3. SQUID-магнитометр для исследования магнитных свойств образцов………………..20
Глава 3. Экспериментальные результаты и обсуждение………………………………….....26
3.1 Образец Sb2Te3+3%V…
3.1.1 Образец Sb2Te3+3%V – результаты ФЭС………………………………………………27
3.1.2 Образец Sb2Te3+3%V – магнитные свойства in-plane………………………………....28
3.1.3 Образец Sb2Te3+3%V – магнитные свойства out-of-plane…………………………....30
3.2 Образец Bi(1.97)V(0.03)Te(2.4)Se(0.6)……………………………………………………34
3.2.1. Образец Bi(1.97)V(0.03)Te(2.4)Se(0.6) – результаты ФЭС……………………..…….35
3.2.2. Образец Bi(1.97)V(0.03)Te(2.4)Se(0.6) – магнитные свойства in-plane……………..38
3.2.3. Образец Bi(1.97)V(0.03)Te(2.4)Se(0.6) – магнитные свойства out-of-plane…………42
3.3 Образец Bi(1.3)V(0.04)Sb(0.66)Te3
3.3.1. Образец Bi(1.3)V(0.04)Sb(0.66)Te3– результаты ФЭС………………………………44
3.3.2. Образец Bi(1.3)V(0.04)Sb(0.66)Te3 – магнитные свойства in-plane…………………45
3.3.3. Образец Bi(1.3)V(0.04)Sb(0.66)Te3 – магнитные свойства out-of-plane
3.4. Обсуждение
Заключение
Список литературы
Глава 1. Обзор литературы
1.1 Топологические изоляторы
1.2 Кристаллическая и электронная структура топологических
изоляторов…
1.3 Магнитные свойства трехмерных топологических изоляторов……………………….11
Глава 2. Методы синтеза и исследования образцов
2.1. Модифицированный метод Бриджмена
2.2. Фотоэлектронная спектроскопия…………………………………………………………18
2.3. SQUID-магнитометр для исследования магнитных свойств образцов………………..20
Глава 3. Экспериментальные результаты и обсуждение………………………………….....26
3.1 Образец Sb2Te3+3%V…
3.1.1 Образец Sb2Te3+3%V – результаты ФЭС………………………………………………27
3.1.2 Образец Sb2Te3+3%V – магнитные свойства in-plane………………………………....28
3.1.3 Образец Sb2Te3+3%V – магнитные свойства out-of-plane…………………………....30
3.2 Образец Bi(1.97)V(0.03)Te(2.4)Se(0.6)……………………………………………………34
3.2.1. Образец Bi(1.97)V(0.03)Te(2.4)Se(0.6) – результаты ФЭС……………………..…….35
3.2.2. Образец Bi(1.97)V(0.03)Te(2.4)Se(0.6) – магнитные свойства in-plane……………..38
3.2.3. Образец Bi(1.97)V(0.03)Te(2.4)Se(0.6) – магнитные свойства out-of-plane…………42
3.3 Образец Bi(1.3)V(0.04)Sb(0.66)Te3
3.3.1. Образец Bi(1.3)V(0.04)Sb(0.66)Te3– результаты ФЭС………………………………44
3.3.2. Образец Bi(1.3)V(0.04)Sb(0.66)Te3 – магнитные свойства in-plane…………………45
3.3.3. Образец Bi(1.3)V(0.04)Sb(0.66)Te3 – магнитные свойства out-of-plane
3.4. Обсуждение
Заключение
Список литературы
Спинтроника является одним из самых перспективных направлений
модернизации современной электроники. Она основывается на возможности
передавать и записывать информации при помощи спина электрона, а не его
заряда. Это позволит значительно снизить энергетические потери при
передаче информации. Однако развитие этой области электроники
сталкивается с целым рядом проблем. Наиболее существенной в данный
момент является проблема поиска новых материалов, подходящих для
применения в спинтронике. Весьма перспективными для развития
спинтроники представляется новый класс материалов – топологические
изоляторы [1]. Они представляют собой узкозонные полупроводники в
объеме, но на поверхности имеют проводящие состояния, образующие так
называемый конус Дирака. Так как эти состояния находятся внутри
запрещенной зоны объема, то они топологически защищены от любых
воздействий, кроме магнитных [2].
Однако при введении магнитных примесей в топологический изолятор,
путем легирования, на его поверхности могут наблюдаться некоторые
интересные физические явления, которые возникают из-за нарушения
симметрии по отношению к обращению знака времени или калибровочной
симметрии[3]. Это приводит к полуцелому квантованию холловской
проводимости поверхности топологического изолятора. Если симметрия
нарушается на всей поверхности топологического изолятора, то происходит
перераспределение электрического тока на поверхности и заряда в объеме.
Топологический магнитоэлектрический эффект в объеме топологического
изолятора приводит к проявлению магнитооптических эффектов Керра и
Фарадея на его поверхности [4-6].
Нарушение калибровочной симметрии на поверхности
топологического изолятора, например, в случае ее туннельного контакта со
сверхпроводником, приводит к тому, что электронный газ становится4
двумерным топологическим сверхпроводником [7], обладающим
топологически нетривиальной электронной структурой его квазичастиц. При
помощи легирования магнитной примесью также можно добиться открытия
щели в Дираковском конусе поверхностных состояний топологического
изолятора[8]. В свою очередь контакт поверхности топологического
изолятора со щелью в конусе Дирака и топологического сверхпроводника
приводит к образованию таких экзотичных краевых состояний, как
киральные майорановские состояния, которые можно рассматривать как
квазичастицы-фермионы. Что особенно интересно, майорановские фермионы
являются собственными античастицами. Они уже рассматривались в физике
элементарных частиц, но в экспериментах такие элементарные частицы так и не были обнаружены [9].
Возможность открытия щели в дираковском конусе поверхностных
состояний топологического изолятора при легировании магнитной примесью
связывают с возникновением в такой системе спонтанной намагниченности
направленной перпендикулярно к поверхности топологического изолятора.
Цель данной работы заключалась в обнаружении корреляции между
свойствами электронной структуры поверхностных состояний
топологических изоляторов с различной стехиометрией и их магнитных
свойств. В рамках поставленной цели решались следующие задачи:
1) Исследовать электронную структуру и магнитные свойства
топологического изолятора Sb2Te3 допированного 3% V. Сравнить
полученные результаты с имеющимися литературными данными о
магнитных свойствах этого топологического изолятора при
легировании различными магнитными примесями.
2) Исследовать электронную структуру и магнитные свойства магнитодопированного тройного топологического изолятора со
стехиометрическим составом Bi(1,97)V(0,03)Te(2,4)Se(0,6).5
3) Исследовать электронную структуру и магнитные свойства
магнитодопированного тройного топологического изолятора со
стехиометрическим составом Bi(1.3)V(0.04)Sb(0.66)Te3
4) Провести анализ возможности получения топологических
поверхностных состояний имеющих щель в дираковском конусе при
помощи объемного легирования магнитной примесью.
Проанализировав полученные данные, предположить модель
возникновения магнитных свойств, приводящих к этой возможности.
модернизации современной электроники. Она основывается на возможности
передавать и записывать информации при помощи спина электрона, а не его
заряда. Это позволит значительно снизить энергетические потери при
передаче информации. Однако развитие этой области электроники
сталкивается с целым рядом проблем. Наиболее существенной в данный
момент является проблема поиска новых материалов, подходящих для
применения в спинтронике. Весьма перспективными для развития
спинтроники представляется новый класс материалов – топологические
изоляторы [1]. Они представляют собой узкозонные полупроводники в
объеме, но на поверхности имеют проводящие состояния, образующие так
называемый конус Дирака. Так как эти состояния находятся внутри
запрещенной зоны объема, то они топологически защищены от любых
воздействий, кроме магнитных [2].
Однако при введении магнитных примесей в топологический изолятор,
путем легирования, на его поверхности могут наблюдаться некоторые
интересные физические явления, которые возникают из-за нарушения
симметрии по отношению к обращению знака времени или калибровочной
симметрии[3]. Это приводит к полуцелому квантованию холловской
проводимости поверхности топологического изолятора. Если симметрия
нарушается на всей поверхности топологического изолятора, то происходит
перераспределение электрического тока на поверхности и заряда в объеме.
Топологический магнитоэлектрический эффект в объеме топологического
изолятора приводит к проявлению магнитооптических эффектов Керра и
Фарадея на его поверхности [4-6].
Нарушение калибровочной симметрии на поверхности
топологического изолятора, например, в случае ее туннельного контакта со
сверхпроводником, приводит к тому, что электронный газ становится4
двумерным топологическим сверхпроводником [7], обладающим
топологически нетривиальной электронной структурой его квазичастиц. При
помощи легирования магнитной примесью также можно добиться открытия
щели в Дираковском конусе поверхностных состояний топологического
изолятора[8]. В свою очередь контакт поверхности топологического
изолятора со щелью в конусе Дирака и топологического сверхпроводника
приводит к образованию таких экзотичных краевых состояний, как
киральные майорановские состояния, которые можно рассматривать как
квазичастицы-фермионы. Что особенно интересно, майорановские фермионы
являются собственными античастицами. Они уже рассматривались в физике
элементарных частиц, но в экспериментах такие элементарные частицы так и не были обнаружены [9].
Возможность открытия щели в дираковском конусе поверхностных
состояний топологического изолятора при легировании магнитной примесью
связывают с возникновением в такой системе спонтанной намагниченности
направленной перпендикулярно к поверхности топологического изолятора.
Цель данной работы заключалась в обнаружении корреляции между
свойствами электронной структуры поверхностных состояний
топологических изоляторов с различной стехиометрией и их магнитных
свойств. В рамках поставленной цели решались следующие задачи:
1) Исследовать электронную структуру и магнитные свойства
топологического изолятора Sb2Te3 допированного 3% V. Сравнить
полученные результаты с имеющимися литературными данными о
магнитных свойствах этого топологического изолятора при
легировании различными магнитными примесями.
2) Исследовать электронную структуру и магнитные свойства магнитодопированного тройного топологического изолятора со
стехиометрическим составом Bi(1,97)V(0,03)Te(2,4)Se(0,6).5
3) Исследовать электронную структуру и магнитные свойства
магнитодопированного тройного топологического изолятора со
стехиометрическим составом Bi(1.3)V(0.04)Sb(0.66)Te3
4) Провести анализ возможности получения топологических
поверхностных состояний имеющих щель в дираковском конусе при
помощи объемного легирования магнитной примесью.
Проанализировав полученные данные, предположить модель
возникновения магнитных свойств, приводящих к этой возможности.
В работе было проведено исследование электронной структуры
поверхностных состояний магнитодопированных топологических изоляторов
и их магнитных свойств. Были выбраны топологические изоляторы разного
стехиометрического состава, имеющие разное положение уровня Ферми
относительно точки Дирака на поверхности. В качестве магнитной примеси был выбран ванадий.
Предварительно для проверки качества образцов они были
исследованы методом рентгенофазового анализа, который показал, что
образцы не содержат включений соединений ванадия. Это значит, магнитные
свойства образца обуславливаются именно топологическим изолятором
легированным магнитной примесью.
Для всех образцов при исследовании методом фотоэлектронной
спектроскопии с угловым разрешением было обнаружено, что
поверхностные состояния имеют линейную дисперсию, характерную для
топологических состояний. Положение уровня Ферми в первом образце ниже
точки Дирака не позволяет судить о наличии запрещенной зоны. Для
образцов №2 и №3 выявлено наличие запрещенной зоны величиной в 20-40эВ.
При исследовании магнитных свойств образцов у всех были
обнаружены свойства ферромагнетиков. Это согласуется с предположением
о том, что магнитное взаимодействие обуславливается механизмом
Рудермана-Киттеля-Косуи-Иосиды, так как расчет знака функции интеграла
перекрытия показывает, что при концентрациях примеси и постоянных
решетки, которые имеют место быть в наших образцах, взаимодействие
должно быть ферромагнитным. Однако магнитная анизотропия во всех
образцах разная, что вероятно обуславливается положением атомов примеси
в решетке. Предугадать это положение на данный момент сложно.
В ходе работы было замечено, что в большинстве случаев
ферромагнитные свойства образцов проявляются даже при комнатной
температуре. Было выдвинуто предположение о том, что ферромагнитные
свойства при 300К сохраняет поверхность образцов, так как поверхность
имеет большую по сравнению с объемом концентрацию носителей, а значит
и большую интенсивность ферромагнитного взаимодействия осуществляемого РККИ-механизмом.
Исследование магнитных свойств образца осложняет наличие
кислорода в камере магнитометра. Так как перед измерением проводилось
обезгаживание камеры до высокого вакуума (10-5), то можно предположить,
что кислород попадает в камеру на образце и его не удается удалить с
образца. Это представляет одну из трудностей, которую необходимо решить
для дальнейшего исследования магнитных свойств топологических изоляторов.
Исследования фазового состава образцов проводилось в РЦ СПБГУ
«Дифракционные методы исследований». Исследования электронной
структуры поверхности проводилось в РЦ СПБГУ «Физические методы
исследования поверхности» и на синхротроне BESSY II, г. Берлин.
Исследования магнитных свойств образцов проводилось в РЦ СПБГУ
«Центр диагностики функциональных материалов для медицины,
фармакологии и наноэлектроники». Особую благодарность за помощь в
исследованиях хотелось бы выразить сотруднику центра Евгению Викторовичу Шевченко.
поверхностных состояний магнитодопированных топологических изоляторов
и их магнитных свойств. Были выбраны топологические изоляторы разного
стехиометрического состава, имеющие разное положение уровня Ферми
относительно точки Дирака на поверхности. В качестве магнитной примеси был выбран ванадий.
Предварительно для проверки качества образцов они были
исследованы методом рентгенофазового анализа, который показал, что
образцы не содержат включений соединений ванадия. Это значит, магнитные
свойства образца обуславливаются именно топологическим изолятором
легированным магнитной примесью.
Для всех образцов при исследовании методом фотоэлектронной
спектроскопии с угловым разрешением было обнаружено, что
поверхностные состояния имеют линейную дисперсию, характерную для
топологических состояний. Положение уровня Ферми в первом образце ниже
точки Дирака не позволяет судить о наличии запрещенной зоны. Для
образцов №2 и №3 выявлено наличие запрещенной зоны величиной в 20-40эВ.
При исследовании магнитных свойств образцов у всех были
обнаружены свойства ферромагнетиков. Это согласуется с предположением
о том, что магнитное взаимодействие обуславливается механизмом
Рудермана-Киттеля-Косуи-Иосиды, так как расчет знака функции интеграла
перекрытия показывает, что при концентрациях примеси и постоянных
решетки, которые имеют место быть в наших образцах, взаимодействие
должно быть ферромагнитным. Однако магнитная анизотропия во всех
образцах разная, что вероятно обуславливается положением атомов примеси
в решетке. Предугадать это положение на данный момент сложно.
В ходе работы было замечено, что в большинстве случаев
ферромагнитные свойства образцов проявляются даже при комнатной
температуре. Было выдвинуто предположение о том, что ферромагнитные
свойства при 300К сохраняет поверхность образцов, так как поверхность
имеет большую по сравнению с объемом концентрацию носителей, а значит
и большую интенсивность ферромагнитного взаимодействия осуществляемого РККИ-механизмом.
Исследование магнитных свойств образца осложняет наличие
кислорода в камере магнитометра. Так как перед измерением проводилось
обезгаживание камеры до высокого вакуума (10-5), то можно предположить,
что кислород попадает в камеру на образце и его не удается удалить с
образца. Это представляет одну из трудностей, которую необходимо решить
для дальнейшего исследования магнитных свойств топологических изоляторов.
Исследования фазового состава образцов проводилось в РЦ СПБГУ
«Дифракционные методы исследований». Исследования электронной
структуры поверхности проводилось в РЦ СПБГУ «Физические методы
исследования поверхности» и на синхротроне BESSY II, г. Берлин.
Исследования магнитных свойств образцов проводилось в РЦ СПБГУ
«Центр диагностики функциональных материалов для медицины,
фармакологии и наноэлектроники». Особую благодарность за помощь в
исследованиях хотелось бы выразить сотруднику центра Евгению Викторовичу Шевченко.



