[論文レビュー] Elemental Topological Insulator with a Tunable Fermi Level: Strained α-Sn on InSb(001)

Arne Barfuss, L. Dudy+17 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2013

Topological Materials and Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、スラブ状のα-SnをInSb(001)上に成長させることで、スピン軌道結合によって主に駆動されない非常なバンド順序から生じるトポロジカルな表面状態を有する、元素的三次元トポロジカル絶縁体の初回実験的実現を示した。スピンおよび角度分解光電子分光法（SARPES）とGWおよびDFT計算を組み合わせることで、反時計回りの平面内スピンテクスチャを持つスピン極化ディラック・コーンを確認し、Teドーピングによるフェルミ準位のチューニングが可能であることを示した。これにより、電子的性質の精密制御が可能となった。

ABSTRACT

We report on the epitaxial fabrication and electronic properties of a topological phase in strained α-Sn on InSb. The topological surface state forms in the presence of an unusual band order not based on direct spin-orbit coupling, as shown in density functional and GW slab-layer calculations. Angle-resolved photoemission including spin detection probes experimentally how the topological spin-polarized state emerges from the second bulk valence band. Moreover, we demonstrate the precise control of the Fermi level by dopants.

研究の動機と目的

• エpitaxialな歪みを加えたα-Sn/InSb(001)において、より単純なプロセスと調整性を有する要素系として、トポロジカル絶縁体相の実現とその特徴付け。
• α-Snにおけるトポロジカル表面状態が、従来のスピン軌道結合とは異なる、非常なバンド反転メカニズムに起因するかどうかを特定すること。
• スピン分解光電子分光法（SARPES）を用いて、トポロジカル表面状態のスピンテクスチャを実験的にプローブすること。
• 意図的なドーピングによるフェルミ準位の制御を実証し、将来的なデバイス応用に向けた電子的性質のチューニングを可能とすること。
• 実験的ARPES/SARPESデータとab initioのGWおよびDFT計算の包括的比較を通じて、表面状態のトポロジカル性を検証すること。

提案手法

• 超高真空下で分子線エpitaxyを用いて、InSb(001)基板上にエpitaxialなα-Snを成長させ、表面品質の向上とサーファクタントとしての機能を果たすために、インサイドにTeドーピングを施した。
• 表面再構成と長距離秩序の確認のため、低エネルギー電子回折（LEED）を用い、(1×1)パターンが高品質でTeドーピングされた表面を示した。
• Advanced Light SourceおよびSwiss Light SourceでHe-IおよびNe-I放射を用いた角度分解光電子分光法（ARPES）を実施し、エネルギー分解能（30 meV）および角度分解能（0.2°）の高い精度で電子バンド構造をマッピングした。
• SIS-X09LAビームラインのCOPHEEエンドステーションでスピン分解ARPES（SARPES）を実施し、表面状態のスピンテクスチャを直接測定。反時計回りの平面内回転が観測された。
• 密度汎関数理論（DFT）にLDA+UおよびGW近似を適用したab initio計算により、多体補正を含めた準粒子エネルギーを考慮したバルクおよび表面バンド構造を計算した。
• グリーン関数埋め込み法を用いた無限スラブ計算により、表面状態をバルク成分から分離し、ブロッホスペクトル関数を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン軌道結合によって主に駆動されない非常なバンド順序を示すにもかかわらず、InSb(001)上に成長させた歪みを加えたα-Snは、トポロジカル表面状態を有するか？
• RQ2 α-Snにおけるトポロジカル表面状態のスピンテクスチャは何か？また、時間反転対称性に起因する予想される反時計回りの平面内回転を示すか？
• RQ3 意図的なドーピングによって、α-Sn薄膜内のフェルミ準位を正確にチューニング可能か？また、これにより電子構造にどのような影響を与えるか？
• RQ4 GWおよびDFT計算は、ARPESおよびSARPES実験データと比較して、バンド分散および表面状態の形成をどの程度正確に記述できるか？
• RQ5 α-Snにおけるトポロジカル相は、歪み誘起バンド反転によって安定化されるか？また、Bi2Se3のような従来のトポロジカル絶縁体とはどのように異なるか？

主な発見

• ARPESで線形ディラック型分散を示すトポロジカル表面状態が観測され、弱いバルクバンド背景上にギャップレスな表面状態が存在することを確認し、3次元トポロジカル絶縁体相の存在を裏付けた。
• スピン分解光電子分光により、ディラック・コーンの占有状態に反時計回りの平面内スピンテクスチャが観測され、時間反転対称性に起因する保護されたトポロジカル表面状態と整合的であった。
• トポロジカル表面状態はバルクの第2価電子帯から生じており、単純なスピン軌道結合では説明できない非常なバンド順序を示しており、GWおよびDFT計算によって裏付けられた。
• 成長過程でのTeドーピングにより、(1×1)表面再構成が形成され、表面品質が向上し、高分解能のARPESおよびSARPES測定が可能になった。
• Teドーピングによるフェルミ準位の精密なチューニングが可能であり、トポロジカル表面状態の電子的性質の制御を実証した。
• 無限スラブ計算により、表面状態がバルク共鳴状態から明確に分離され、ロバストで明確な線形分散を示しており、有限寿命効果を模擬する際の幅広げてもその性質が保持された。