Topologiczny diagram fazowy półprzewodników IV-VI

HTML
DOWNLOAD

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Topologiczny diagram fazowy półprzewodników IV-VI"

Barbara Dagmara Bukowska
7 lat temu
Przeglądów:

Topologiczny diagram fazowy półprzewodników IV-VI Tomasz Story (IF PAN) Półprzewodniki IV-VI jako materiały topologiczne Koncepcje teoretyczne stanów

1 Topologiczny diagram fazowy półprzewodników IV-VI Tomasz Story (IF PAN) Półprzewodniki IV-VI jako materiały topologiczne Koncepcje teoretyczne stanów topologicznch w materiałach IV-VI i ich weryfikacja doświadczalna Topologiczny diagram fazowy - powierzchniowe (3D) i krawędziowe (2D) stany elektronowe Podsumowanie

2 Izolatory topologiczne: podstawowa właściwości fizyczne Silne oddziaływanie spin-orbita E so E G Odwrócona symetria pasm Nieparzysta liczba stożków Diraca Metaliczne, helikalne spinowo stany powierzchniowe Ochrona topologiczna

3 Inwersja pasm w półprzewodnikach P. Barone et al., Phys. Rev. B (2013)

4 Izolatory topologiczne 3D Bi, Sb półmetale z silnym oddziaływaniem spin-orbita Bi 1-x Sb x półprzewodnikowy stop materiał termoelektryczny L. Fu & C. Kane przewidywania teoretyczne dla Bi 1-x Sb x (PRB 2007) Weryfikacja doświadczalna: Hsieh et al., Nature 2008

5 Topologiczne stany elektronowe krawędziowe w heterostrukturach 2D powierzchniowe w kryształach 3D S. Murakami, J. Phys. Conf. Ser. 302, (2011)

6 Topologiczne stany elektronowe Metody doświadczalne: Fotoemisyjna spektroskopia elektronowa z rozdzielczością kątową ( ARPES) i spinową (SRPES) Skaningowa mikroskopia i spektroskopia tunelowa (STM) Transport elektronowy; magneto-przewodnictwo Magneto-optyka Mikro-magnetometria (np. mikro-squid) Magnetyzm, nadprzewodnictwo ( )

7 DOS Core level Fotoemisyjna spektroskopia elektronowa Vacuum level Intensity hn Valence band Energy Energy analyzer hn e - Sample Electron detector Secondary electrons Kinetic energy Binding energy E F

8 Fotoemisja metoda badania powierzchni kryształów photons electrons nm nm W. Mönch Semiconductor surfaces and interfaces 1993

9 Półprzewodniki rodziny IV-VI Binarne związki chemiczne: PbTe, PbSe, PbS, SnTe, GeTe Podstawieniowe roztwory stałe: Pb 1-x Sn x Te, Pb 1-x Sn x Se Półprzewodniki półmagnetyczne: Sn 1-x Mn x Te

10 Półprzewodniki rodziny IV-VI Struktura NaCl Wąska (0-0.3 ev), prosta przerwa energetyczna w punkcie L - 4 doliny Oddziaływanie relatywistyczne 1-go rzędu Małe masy efektywne, duże ruchliwości elektronów i dziur Materiały termoelektryczne i optoelektroniczne (lasery podczerwone).

11 Struktura elektronowa półprzewodników IV-VI Oddziaływania relatywistyczne w PbTe i PbSnTe

12 300 K Pb 1-x Sn x Te podstawieniowy roztwór stały 0,4 0,3 R. Dornhaus, G. Nimtz, and B. Schlicht, Springer Tracts in Modern Physics vol. 98, Narrow-Gap Semiconductors (Springer, Berlin, 1983) Pb 1-x Sn x Te L 6 0,2 0,1 L K E g (ev) 0,0-0,1-0,2 L K -0,3 L 6 TCI -0,4 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Sn content, x

13 Podstawieniowy roztwór stały Pb 1-x Sn x Se 0,3 300 K Pb 1-x Sn x Se L 6 0,2 195 K L + 6 E g (ev) 0,1 0,0 77 K 4 K ü exp. data ý ţ A.J. Strauss x=0.23 x=0.27 x=0.30 L + 6-0,1 L 6 TCI -0,2 0 0,1 0,2 0,3 0,4 Sn content, x

Topologiczne izolatory krystaliczne: SnTe - wskazania teorii SnTe - teoretyczna analiza topologiczna wskazuje na stany elektronowe TCI z 4 stożkami Diraca w

14 Topologiczne izolatory krystaliczne: SnTe - wskazania teorii SnTe - teoretyczna analiza topologiczna wskazuje na stany elektronowe TCI z 4 stożkami Diraca w pobliżu punktów X strefy Brillouina (powierzchniowej) Przejście Lifshitza - zmiana kształtu powierzchni Fermiego T.H. Hsieh,L. Fu, Nature Commun. 3, 982 (2012).

15 Topologiczne izolatory krystaliczne: SnTe vs PbTe analiza teoretyczna PbTe trywialny izolator pasmowy E G >0 SnTe topologiczny izolator krystaliczny (TCI) E G <0 T.H. Hsieh, H. Lin, J. Liu, W. Duan, A. Bansil, L. Fu, Nature Commun. 3, 982 (2012).

16 Struktura elektronowa Pb 1-x Sn x Te - obliczenia metodą ciasnego wiązania PbSnTe w obszarze inwersji pasm: A) izolator pasmowy B) zerowa przerwa C) odwrócona przerwa - TCI D) SnTe - TCI S. Safaei, P. Kacman, R. Buczko, Phys. Rev. B 88, (2013)

17 Izolatory topologiczne a topologiczne izolatory krystaliczne Metaliczne stany powierzchniowe (krawędziowe) o liniowej dyspersji (Diraca). Symetria pasma przewodnictwa i pasma walencyjnego odwrócona w wyniku oddziaływań relatywistycznych (spinowo-orbitalnych). Ochrona topologiczna i brak rozpraszania do tyłu. Polaryzacja spinowa (helikalność). Mechanizm ochrona topologicznej: symetria odwrócenia czasu - zwierciadlana symetria krystaliczna Rozmieszczenie i liczba stożków Diraca nieparzysta (TRI) / parzysta Niezmiennik topologiczny: liczba Cherna (Z 2 ) zwierciadlana liczba Cherna

18 Wzrost monokryształów PbSnSe metodą SSVG A. Szczerbakow, monokryształ Pb 0.76 Sn 0.24 Se w ampule kwarcowej

19 Pomiary struktury elektronowej (ARPES) Pb 0.77 Sn 0.23 Se T=199 K E T=284 K E G vs. T T=144 K T=126 K T=111 K k

20 Strefa Brillouina dla powierzchni (001)

21 Struktura elektronowa - ARPES Relacje dyspersji w obszarze stożka Diraca dla różnych temperatur P. Dziawa, B.J. Kowalski, K. Dybko et al., Nat. Mat. 11, 1023 (2012)

22 Struktura elektronowa ARPES Relacje dyspersji E(k) dla kierunków X- i X-M

23 Struktura elektronowa - ARPES Przekroje powierzchni Fermiego E(k x, k y ) dla różnych energii wiązania

24 B.E. (ev) Dirac point Dirac point Pb 0.67 Sn 0.33 Se, T=87 K, hn=18.5 ev B.E. (ev) X 0.4 M X M X X Theory- R. Buczko, P. Kacman, S. Safaei X

25 Izolator trywialny (pasmowy) PbSe a topologiczny izolator krystaliczny Pb 1-x Sn x Se x=0, 0.15, 0.19, 0.23, 0.30, 0.37 T=300 K 0,3 300 K Pb 1-x Sn x Se L 6 0,2 195 K L + 6 T= 200 K E g (ev) 0,1 0,0 77 K 4 K ü exp. data ý ţ A.J. Strauss x=0.23 x=0.27 x=0.30 L + 6 T=100 K -0,1 L 6 TCI -0,2 0 0,1 0,2 0,3 0,4 Sn content, x T=9 K B.M. Wojek, P. Dziawa, B.J. Kowalski et al., Phys. Rev. B (R) (2014)

26 Cienkie warstwy Pb 1-x Sn x Se/BaF 2 (111) C.P. Polley, P. Dziawa et al., Phys. Rev. B 89, (2014)

27 Polaryzacja spinowa stanów TCI: obliczenia modelowe Pb 0.76 Sn 0.24 Se B.M. Wojek, R. Buczko et al., Phys. Rev. B 87, (2013)

28 Polaryzacja spinowa stanów topologicznych w SnTe S. Safaei, P. Kacman, R. Buczko, Phys. Rev. B 88, (2013) Obiczenia metodą ciasnego wiązania

29 Polaryzacja spinowa stanów TCI: eksperyment SRPES Pb 0.76 Sn 0.24 Se B.M. Wojek, R. Buczko et al., Phys. Rev. B 87, (2013)

30 Polaryzacja spinowa stanów TCI: SRPES Pb 0.6 Sn 0.4 Te S.-Y. Xu et al., Nat. Commun. 3, 1192 (2012).

31 Spektroskopia tunelowa STM I. Zeljkovic et al., Nat. Mat. 14, 318 (2015)

32 STM interferencje kwazi-cząstek quasi-particle interference (QPI) A. Gyenis et al., Phys. Rev. B 88, (2013) Princeton group

33 Spektroskopia tunelowa STM - Pb 1-x Sn x Se Y. Okada et al., Science 341, 1496 (2013)

34 Dystorsja sieci krystalicznej a stany topologiczne

35 Dystorsja sieci krystalicznej a stany topologicznego izolatora krystalicznego B.M. Wojek et al., Nat. Commun. 6, 8463 (2015)

36 Kontrola właściwości elektrycznych objętości kryształów TCI Domieszki o właściwościach głębokich centrów: grupa III: In lub metale przejściowe (V, Mo) R. Zhong et al., Phys. Rev. B 91, (2015)

37 Transport elektronowy Pomiary magnetooporowe: Efekt słabej antylokalizacji (WAL) efekty interferencyjne i s-o Efekt Subnikowa de Haasa (kwantowe oscylacje magnetooporu) Efekt Nernsta-Ettingshausena - K. Dybko et al., arxiv: Punkt inwersji pasm (x,t)

38 Tranzystor topologiczny 2D TCI

39 Dwuwymiarowy izolator topologiczny (2D TI) w ultra cienkich warstwach SnTe i SnSe (111) S. Safaei, M. Galicka, P. Kacman, R. Buczko, New J. Phys. 17, (2015)

40 Podsumowanie Topologiczne izolatory krystaliczne (TCI) nowa klasa materiałów półprzewodnikowych, dla których na powierzchniach wysokiej symetrii obserwuje się metaliczne stany elektronowe chronione topologicznie. Pb 1-x Sn x Se i Pb 1-x Sn x Te półprzewodniki rodziny IV-VI modelowe materiały TCI, w których obserwuje się indukowane temperaturą przejście od stanu izolatora pasmowego (trywialnego) do stanu topologicznego izolatora krystalicznego (3D). Weryfikacja doświadczalna koncepcji teoretycznych pomiary fotoemisyjne (ARPES, SRPES) i STM. Analiza teoretyczna struktury elektronowej w obszarze inwersji symetrii pasm. Topologiczny diagram fazowy (x, T, dystorsja sieci): 3D TCI potwierdzone doświadczalnie 2D TCI, 2D TI - przewidywania teoretyczne

41 Materiały topologiczne - nowość w fizyce ciała stałego czy materiały nowej elektroniki? Długa lista pomysłów teoretycznych wykorzystujących polaryzację spinową stanów topologicznych, możliwość otwierania i zamykani przerwy energetycznej i reżim transportu elektronowego bez rozpraszania nośników. Spintronika: źródła prądu spinowo spolaryzowanego (spinowego). Termoelektryczność: nowa realizacja idei kryształu elektronowego/szkła fononowego. Optoelektronika : materiały magnetooptyczne o kontrolowanej przerwie energetycznej. Elektronika: nowe tranzystory polowe; nanopołączenia elektryczne. Ważna zaleta izolatorów topologicznych: skalę temperatur ogranicza energia przerwy energetycznej (0.1 ev to ok K) temperatura pokojowa. Poważny (ale usuwalny) kłopot technologiczny: to raczej półprzewodniki niż izolatory przewodzenie objętości kryształu zwykle dominuje

Podobne dokumenty

Teoria pasmowa ciał stałych

Teoria pasmowa ciał stałych Poziomy elektronowe atomów w cząsteczkach ulegają rozszczepieniu. W kryształach zjawisko to prowadzi do wytworzenia się pasm. Klasyfikacja ciał stałych na podstawie struktury