[論文レビュー] Residual gas absorption effect on the electronic structure of Cr-doped Bi2Se3

Turgut Yilmaz, W. A. Hines+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 43被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、角度分解光電子分光法を用いて、CrドープBi2Se3表面における残留ガス吸着が、温度依存的な表面準位ギャップ変動の原因であることを特定した。吸着したガスが電子ドーピングを引き起こし、化学ポテンシャルをシフトさせ、ギャップを抑制することで、高温における量子異常ホール効果の実現が阻害される。

ABSTRACT

In this report, we identify the origin of the temperature dependence of the surface energy gap in impurity-doped topological insulators. The gap at the Dirac point and its variation with temperature were studied by using angle-resolved photoemission spectroscopy in Cr-doped Bi2Se3. Our valence band photoemission results revealed that the gap varies with temperature due to residual gas condensation on the sample surface with cooling. Adsorbate on the surface of the sample creates an electron doping effect that modifies the chemical potential of the system resulting in the change of the gap with variable temperature. Such electron doping can weaken the ferromagnetism and lead to a bulk band contribution in the transport measurements. Also, a larger energy gap is required to suppress the thermal excitations for the quantum anomalous Hall effect. Therefore, such effects can hinder the quantum anomalous Hall state at higher temperatures. Resolving this issue can pave the way for enhancing the observation temperature of the quantum anomalous Hall effect. Therefore, our findings can play a significant role in the discovery of the high-temperature quantum anomalous Hall effect in impurity-doped topological insulators.

研究の動機と目的

• CrドープBi2Se3における温度依存的表面準位ギャップ揺らぎの原因を調査すること。
• 表面吸着体が電子状態および化学ポテンシャルに与える影響を特定すること。
• 残留ガスの凝縮が強磁性および輸送特性に与える影響を評価すること。
• 表面ドーピングが量子異常ホール状態の安定性に与える影響を明らかにすること。
• トポロジカル絶縁体における量子異常ホール効果の観測温度を向上させるための知見を提供すること。

提案手法

• CrドープBi2Se3の価電子帯構造を、さまざまな温度で測定するために角度分解光電子分光法（ARPES）が用いられた。
• 冷却過程における表面吸着体の生成と関連づけて、ギャップ変化を温度依存的に測定した。
• 表面吸着体が電子ドーピングの原因であると特定され、系の化学ポテンシャルが変化した。
• 理論的分析により、観測されたギャップ変動が、残留ガス分子からの電子ドーピングに起因する化学ポテンシャルシフトと関連していることが示された。
• 異なる温度におけるARPESデータの比較分析により、表面凝縮が電子的性質をどのように変化させるかが明らかになった。
• 表面汚染を最小限に抑えるために、イン・スイート測定を用い、残留ガス吸着の影響を明確に分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CrドープBi2Se3の表面準位ギャップにおける温度依存的変動の原因は何ですか？
• RQ2 表面に吸着した残留ガス分子は、化学ポテンシャルおよび電子状態にどのように影響を与えますか？
• RQ3 吸着体からの表面電子ドーピングが、強磁性秩序をどれほど弱め、輸送挙動にどのように影響を与えるでしょうか？
• RQ4 なぜこの系では高温において量子異常ホール効果が観測しにくいのでしょうか？
• RQ5 表面吸着を制御することで、量子異常ホール状態の安定性および観測温度を向上させることは可能でしょうか？

主な発見

• 冷却過程中に、残留ガス分子がCrドープBi2Se3表面に凝縮し、電子ドーピングが生じる。
• この吸着により化学ポテンシャルがシフトし、温度が低下するにつれて表面準位ギャップが顕著に減少する。
• 観測されたギャップ変動は本質的ではなく、表面吸着体に起因する電子ドーピングに起因する。
• 電子ドーピングは強磁性秩序を弱め、輸送測定においてバルクバンド寄与を導入する。
• 温度依存的ギャップ挙動が、高温における量子異常ホール効果の観測を制限する。
• ドーピングされたトポロジカル絶縁体における高温量子異常ホール状態の実現には、表面吸着の制御が不可欠である。