[論文レビュー] Conduction through subsurface cracks in bulk topological insulators

Steven Wolgast, Yun Suk Eo+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2015

Topological Materials and Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、SmB6 などのバルク位相的絶縁体に生じる亀裂が、トポロジカルに保護された表面状態により追加の導電経路を形成することを示しており、電気的伝導が顕著に向上することを明らかにした。制御されたスクラッチと電子顕微鏡を用いて、著者らは、このような亀裂が顕著なキャリア密度の増加とホール係数の低下を引き起こし、高品質な試料における異常な輸送特性を説明している。

ABSTRACT

Topological insulators (TIs) have the singular distinction of being electronic insulators while harboring metallic, conductive surfaces. In ordinary materials, defects such as cracks and deformations are barriers to electrical conduction, intuitively making the material more electrically resistive. Peculiarly, 3D TIs should become better conductors when they are cracked because the cracks themselves, which act as conductive topological surfaces, provide additional paths for the electrical current. Significantly, for a TI material, any surface or extended defect harbors such conduction. In this letter, we demonstrate that small subsurface cracks formed within the predicted 3D TI samarium hexaboride (SmB$_{6}$) via systematic scratching or sanding results in such an increase in the electrical conduction. SmB$_{6}$ is in a unique position among TIs to exhibit this effect because its single-crystals are thick enough to harbor cracks, and because it remarkably does not appear to suffer from conduction through bulk impurities. Our results not only strengthen the building case for SmB$_{6}$'s topological nature, but are relevant to all TIs with cracks, including TI films with grain boundaries.

研究の動機と目的

• 2次元量子限界 5.85×10¹⁴ cm⁻² を超える著しく高い顕著なキャリア密度が観測される SmB6 の輸送測定における原因を解明すること。
• 絶縁性バルクを持つ位相的絶縁体において、表面損傷または亀裂が電気的伝導の増加に寄与するかどうかを特定すること。
• 特にホール係数と伝導度に及ぼす亀裂の影響を、測定された輸送特性の変化を検討すること。
• SmB6 に生じる亀裂が、トポロジカルに保護された表面状態に起因して導電経路として機能することを実験的に証明すること。
• 表面に見えない亀裂に起因する伝導経路を考慮することで、表面輸送測定における矛盾を解消すること。

提案手法

• 光リソグラフィーとTi/Auの蒸着を用いて、SmB6単結晶の(011)面にCorbinoディスク型の形状を形成し、電気的接触を形成した。
• 17.72 Hz の周波数でロックイン技術を用い、1.5 K から 4 K の温度範囲で可変温度抵抗測定を実施した。
• 砥石を用いたダイヤモンドチップによるスクラッチ処理を、研磨済みの試料に施して、亀裂を制御的に発生させた。
• 走査型イオンビームプローブ（FIB）マシニングと走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて断面像を撮影し、亀裂の存在を特定した。
• 機械的表面処理に伴う抵抗およびホール係数の変化を相関させることで、亀裂に起因する伝導を分離した。
• イオンマシニングによる断面分析を実施し、亀裂が表面下に存在することを確認し、その深さと横方向の広がりを測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 目に見えない亀裂が、SmB6 においても電気的伝導に顕著な寄与を果たす可能性があるか？
• RQ2 表面の研磨を改善することで、SmB6 では予想に反して表面伝導が低下する理由は何か？
• RQ3 亀裂に起因する伝導が、ホール測定で観測される非物理的な高い顕著キャリア密度をどの程度説明できるか？
• RQ4 SmB6 の亀裂は外側の表面と異なる輸送特性を示すのか？また、それらは測定されたホール係数にどのように影響を与えるか？
• RQ5 研磨やスクラッチ処理中に機械的応力が材料の引張強度を超えることで亀裂が発生する可能性があるか？

主な発見

• SmB6 のスクラッチや研磨処理中に生じる表面下の亀裂は、トポロジカルに保護された表面状態に起因して追加の導電経路を形成する。
• 亀裂に起因する伝導は抵抗の測定値の低下とホール係数の低下を引き起こし、キャリア密度の増加を模倣する。
• ホール測定における顕著キャリア密度は、表面下の亀裂からの寄与により、2次元量子限界 5.85×10¹⁴ cm⁻² を超えることがある。
• イオンマシニングによる断面像で、幅100 nm、長さ10 µm に達する亀裂が確認され、表面下に存在することが裏付けられた。
• 抵抗の変化の大きさは、表面粗さによる表面積の増加だけでは説明できないため、伝導の増加は表面粗さとは別に起因している。
• この現象は、ヘルツ接触理論で予測されるように、最大接触応力がSmB6の引張強度を超える深さで亀裂が形成されることと整合的である。