[論文レビュー] Large-scale interlayer rotations and Te grain boundaries in (Bi,Sb)2Te3 thin films

Danielle Reifsnyder Hickey, Ryan J. Wu+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 49被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、六方炭化ホウ素窒化物（h-BN）基板上でのファンデルワールスエpitaxial成長により成長した (Bi,Sb)2Te3薄膜における大規模な層間回転および tellurium (Te) 界面における結晶粒界の構造的欠陥を調査した。第一原理計算を用いて、特に対称性破れを伴う回転と界面に存在する二次相のTeが、電子的性質に顕著な影響を及ぼすことが明らかになった。この結果、このような薄膜が欠陥フリーであるという仮定に疑問を呈し、トポロジカル絶縁体を用いたスピントロニクス応用におけるデバイス性能に重要な影響を及ぼすことが示された。

ABSTRACT

Topological insulator (TI) materials are exciting candidates for integration into next-generation memory and logic devices because of their potential for efficient, low-energy-consumption switching of magnetization. Specifically, the family of bismuth chalcogenides offers efficient spin-to-charge conversion because of its large spin-orbit coupling and spin-momentum locking of surface states. However, a major obstacle to realizing the promise of TIs is the thin-film materials' quality, which lags behind that of epitaxially grown semiconductors. In contrast to the latter systems, the Bi-chalcogenides form by van der Waals epitaxy, which allows them to successfully grow onto substrates with various degrees of lattice mismatch. This flexibility enables the integration of TIs into heterostructures with emerging materials, including two-dimensional materials. However, understanding and controlling local features and defects within the TI films is critical to achieving breakthrough device performance. Here, we report observations and modeling of large-scale structural defects in (Bi,Sb)$_2$Te$_3$ films grown onto hexagonal BN, highlighting unexpected symmetry-breaking rotations within the films and the coexistence of a second phase along grain boundaries. Using first-principles calculations, we show that these defects could have consequential impacts on the devices that rely on these TI films, and therefore they cannot be ignored.

研究の動機と目的

• 六方BN基板上に成長した (Bi,Sb)2Te3薄膜における大規模な構造的欠陥の起源と影響を理解すること。
• 層間回転およびTeを多く含む界面が、ビスマス chalcogenide薄膜の電子的およびトポロジカル性質に与える影響を調査すること。
• これらの欠陥がスピントロニクスおよび低消費電力電子素子応用におけるデバイス性能に与える影響を評価すること。
• 第一原理計算を用いた理論的枠組みを提供し、このような欠陥が材料挙動に与える影響をモデル化・予測すること。

提案手法

• 格子定数の不一致を伴う六方BN基板上に (Bi,Sb)2Te3薄膜をファンデルワールスエpitaxial成長法で作製した。
• ナノスケールでの層間回転およびTeを多く含む界面を観察するために、高度な電子線顕微鏡技術を用いた。
• 電子構造および欠陥のエネルギー的性質をモデル化するために、第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を適用した。
• 層間回転に起因する結晶構造の対称性破れの影響と、スピン・モーメンタムロックインへの影響を分析した。
• 界面におけるTeを多く含む相の熱力学的安定性および電子的影響をモデル化した。
• 実験的観察と理論的予測を照合し、トポロジカル表面状態における欠陥誘発の摂動を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ファンデルワールスエpitaxial成長によって六方BN上に成長する (Bi,Sb)2Te3薄膜で、どのような構造的欠陥が生じるか？
• RQ2 大規模な層間回転は、(Bi,Sb)2Te3薄膜の電子的およびトポロジカル性質にどのように影響を与えるか？
• RQ3 これらの薄膜の界面に観察された第二相のTeの性質と起源は何か？
• RQ4 これらの欠陥が、トポロジカル絶縁体薄膜におけるスピン・モーメンタムロックインおよびスピン軌道結合をどの程度破壊するか？
• RQ5 第一原理計算は、これらの欠陥がデバイスに与える電子的影響を予測できるか？

主な発見

• 六方BN基板上での成長中に、(Bi,Sb)2Te3薄膜に大規模な層間回転が観察され、成長過程における対称性破れを示した。
• 結晶粒界にTeを多く含む二次相が同定され、薄膜成長中に相分離が生じた可能性が示唆された。
• 第一原理計算により、これらの欠陥が局所的な電子構造を顕著に変化させ、トポロジカル表面状態の抑制を引き起こす可能性があることが明らかになった。
• 層間回転およびTe界面がスキャッタリング中心を導入し、スピン・チャージ変換効率の低下を引き起こす可能性がある。
• 本研究は、これらの欠陥がデバイス設計において無視できないことを示し、トポロジカル絶縁体の低エネルギースイッチング特性が損なわれる可能性があることを明らかにした。
• 本研究の結果は、高性能スピントロニクスデバイスの実現に向け、(Bi,Sb)2Te3薄膜における欠陥制御の重要性を強調している。