Электронная структура халькогенидов: реконструкции, тонкие пленки и гетероструктуры Кибирев Иван Алексеевич

Введение к работе

Актуальность исследования

Одним из важных направлений в области физики твердого тела
является поиск новых функциональных материалов. Несмотря на то,
что состав и кристаллическая структура большинства природных
минералов известны давно, многие из них обнаруживают новые
уникальные свойства. При этом ряд эффектов возникает при
снижении толщины материала. Например, электронные состояния с
линейным законом дисперсии, были изучены в моноатомном слое
графита (графен) [1]. Такие электроны обладают высокой
подвижностью, что может быть использовано в высокочастотных
полевых транзисторах. Помимо этого были изучены

графеноподобные атомарно тонкие слои гексагонального нитрида
бора [2], а так же однослойные пленки ван-дер-ваальсовских
кристаллов, например, дихалькогенидов переходных металлов [3]. В
данных материалах для ряда электронных состояний снято
вырождение по спину, что открывает новые возможности для
создания приборов спиновой электроники. Далее, к материалам
спинтроники можно отнести системы с эффектом Рашбы. В ряде
случаев, из-за большого градиента потенциала на границе раздела,
материалы проявляют сильный поверхностный эффект Рашбы, что
приводит к снятию спинового вырождения поверхностных

состояний. Наконец, дираковским спектром со снятым вырождением по спину обладают топологические изоляторы (ТИ). Самыми яркими представителями топологических изоляторов являются халькогениды тяжелых металлов, а именно Bi₂Se₃, Bi₂Te₃ и Sb₂Te₃. Появление топологических состояний возможно благодаря нетривиальной топологии и симметрии по отношению к обращению времени (Т-симметрии). Материалы с такими свойствами имеют множество потенциальных применений и обеспечивают возможность изучения различных фундаментальных явлений [4,5] и в теории позволяют создать приборы спиновой электроники.

Вышеуказанные ТИ как и ряд других халькогенидов обладают слоистой структурой, в которой атомы внутри слоя связаны сильной ионно-ковалентной связью, тогда как слои связаны друг с другом только слабыми ван-дер-ваальсовыми силами. Поэтому кристаллы могут быть легко сколоты вдоль границы слоев, при этом на

образовавшихся поверхностях отсутствуют оборванные связи.
Благодаря вышесказанному возможен гетероэпитаксиальный рост
материалов с большим различием параметров решеток. Такие

гетероструктуры называют Ван-дер-Ваальсовскими [6]. Они

характеризуются резкими границами раздела функциональных слоев, что позволяет с высокой точностью контролировать свойства материала.

Гетероструктуры на основе ТИ характеризуются множеством
разнообразных явлений [7]. В такого рода структурах, состоящих из
чередующихся слоев ТИ и магнитного изолятора, Т-симметрия может
быть нарушена за счет эффекта близости [8], который дает
возможность наблюдать топологический магнитоэлектрический
эффект и аномальный квантовый эффект Холла [4]. Такие
гетероструктуры также обеспечивают возможность

электростатического контроля магнитной анизотропии [9]. Кроме того, суперструктура, состоящая из магнитно-легированного ТИ (еще один способ нарушения Т-симметрии) и тривиального изолятора, является простейшим примером полуметалла Вейля [10], в котором могут наблюдаться вейлевские фермионы. В то же время, в гетероструктурах состоящих из ТИ и сверхпроводника, могут наблюдаться фермионы Майораны [11].

Из вышесказанного видно, что халькогениды как переходных металлов, так и тяжелых металлов являются перспективными соединениями для изучения эффектов вызванных сильным спин-орбитальным взаимодействием.

Цели и задачи

Цель работы – поиск новых перспективных материалов на основе соединений халькогенидов с уникальными электронными свойствами.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

Провести экспериментальное исследование роста гетероструктур MnSe-Bi₂Se₃ и изучить особенности спектра топологических состояний на границе раздела.

Провести экспериментальное исследование роста гетероструктур SnSe₂-Bi₂Se₃ и изучить особенности спектра топологических состояний на границе раздела.

Изучить влияние толщины пленки на форму спектра валентной зоны слоистого полупроводника InSe.

Изучить рост и электронную структуру реконструкций возникающих при совместном осаждении таллия и халькогенов (Se, Te) на поверхность кремния. Сравнить полученные структуры и спектры с расчетными.

Научная новизна работы

В работе получены новые экспериментальные результаты, основными из которых являются следующие:

1. Определены условия роста для гетероэпитаксии MnSe/Bi₂Se₃, показано влияния эффекта близости к магнитному материалу на спектр топологических состояний Bi₂Se₃.

2. Установлены условия роста для Ван-дер-Ваальсовской гетероструктуры на основе топологического изолятора Bi₂Se₃ и тривиального изолятора SnSe₂. Показано, что на границе раздела в данной гетероструктуре возникают топологические состояния аналогичные случаю границы раздела ТИ-вакуум. Кроме того опробована методика создания многослойной структуры, из указанных материалов, с несколькими границами раздела.

3. В системе InSe/Si(111) обнаружен электронный топологический переход при уменьшении толщины пленки InSe до нескольких постоянных элементарной ячейки.

4. Показано сходство атомной компоновки двумерных соединений (Tl,Se)/Si(111) и (Tl,Te)/Si(111) с атомной компоновкой соединения (Tl,Pb)/Si(111). Установлено наличие в электронном спектре энергетической щели и состояний с расщеплением Рашбы.

Практическая ценность работы

Экспериментально получен ряд новых гетероструктур, тонких пленок и реконструкций на основе халькогенидов. Наблюдаемые особенности электронной структуры изучаемых соединений имеют практическое значение для дальнейших работ по изучению различных фундаментальных явлений и позволяют создать прототипы приборов спиновой электроники.

Положения, выносимые на защиту

5. Доказано, что в структуре MnSe/Bi₂Se₃ происходит эпитаксиальный рост как пленок MnSe на Bi₂Se₃(111), так и рост пленки Bi₂Se₃ на MnSe. На границе раздела такой гетероструктуры возникают топологические состояния с энергетической щелью в точке Дирака размером около 90 мэВ.

6. Происходит эпитаксиальный рост Ван-дер-Ваальсовской гетероструктуры, состоящей из тривиального изолятора SnSe₂ и топологического изолятора Bi₂Se₃. На пленке SnSe₂ толщиной в 1 слой, выращенной поверх Bi₂Se₃ наблюдается присутствие муара, с периодичностью 1212 в единицах постоянной решетки SnSe₂. Наличие муара приводит к появлению реплик конусов Дирака на спектрах УФЭС. В остальном, топологические поверхностные состояния аналогичны тем, что возникают в случае границы раздела ТИ-вакуум. Одного слоя SnSe₂ достаточно для разделения массива Bi₂Se₃ и внесения в него дополнительной границы раздела с соответствующими топологическими состояниями.

7. В системе InSe/Si(111) присутствует электронный топологический переход при уменьшении толщины пленки до нескольких постоянных элементарной ячейки. При этом, пленки толщиной в один и два слоя имеют необычную форму валентной зоны называемую «мексиканская шляпа», тогда как при большей толщине валентная зона имеет обычную, объемоподобную, параболическую форму.

8. Двумерные соединения (Tl,Se)/Si(111) и (Tl,Te)/Si(111) имеют атомную компоновку, аналогичную ранее обнаруженной реконструкции (Tl,Pb)/Si(111), которая может быть представлена как сотовая структура с периодичностью 33 и состоящая из цепочки Т1-тримеров с атомами второго адсорбата, занимающих центры сотовых ячеек. При этом соединения Tl-Te и Tl-Se являются изоляторами. Характерной особенностью этих соединений является наличие состояний вблизи уровня Ферми со значительным расщеплением Рашбы.

Апробация научных результатов

Основные результаты работы докладывались на

международных, российских и региональных конференциях, в том числе:

Третьей азиатской школе-конференции по физике и технологии наноструктурных материалов ASCO-NANOMAT (г. Владивосток, Россия, 2015 г.); XXIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов – 2016» (г. Москва, Россия, 2016 г.); Азиатско-тихоокеанском симпозиуме по науке о поверхности твердого тела APSSS-2 (г. Тайбэй, Тайвань, 2016 г.); VI Международной молодежной научной школе-конференции «Современные проблемы физики и технологий» (г. Москва, Россия, 2016 г.); Международном симпозиуме по науке о поверхности и нанотехнологии ISSS-8 (г. Цукуба, Япония, 2017 г.); XXII симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника» (г. Нижний Новгород, Россия, 2018 г.).

По теме диссертации опубликовано 4 статьи в научных журналах, индексируемых базами Web of Science, Scopus, РИНЦ и 6 тезисов докладов, представленных на молодежных и международных конференциях и школах.

Личный вклад автора. Все экспериментальные результаты, представленные в работе, получены соискателем лично, либо в соавторстве при его непосредственном участии. Все численные расчеты, представленные в пятой главе, выполнены соавтором Михалюком А.Н.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 92 страницы, включая 46 рисунков и список литературы из 130 наименований.