[論文レビュー] Topologically Nontrivial Bismuth(111) Thin Films Grown on Bi2Te3

M. Yao, Fengfeng Zhu+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 38被引用数 42

ひとこと要約

本研究では、Bi2Te3(111)基板上に成長したBi(111)薄膜を、高分解能角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて調査し、Γ̄M点付近に第三の表面状態が存在することを明らかにした。奇数個のフェルミギャップ（5個）の観測は、これらの薄膜が三次元的に位相的に非自明であることを直接実験的に裏付け、バルクビismuthの自明な位相的性質であるという従来の仮定に反するものである。

ABSTRACT

Using high-resolution angle-resolved photoemission spectroscopy, the electronic structure near the Fermi level and the topological property of the Bi(111) films grown on the Bi$_2$Te$_3$(111) substrate were studied. Very different from the bulk Bi, we found another surface band near the $\bar{M}$ point besides the two well-known surface bands on the Bi(111) surface. With this new surface band, the bulk valence band and the bulk conduction band of Bi can be connected by the surface states. Our band mapping revealed odd number of Fermi crossings of the surface bands, which provided a direct experimental signature that Bi(111) thin films of a certain thickness on the Bi$_2$Te$_3$(111) substrate can be topologically nontrivial in three dimension.

研究の動機と目的

• 高分解能ARPESを用いて、Bi2Te3(111)基板上に成長したBi(111)薄膜の電子構造を同定すること。
• バルクBi(111)における表面状態の理論的予測と実験的観測の間の長年の矛盾を解消すること。
• Bi(111)薄膜が厚さ依存のバンド構造または界面効果によって位相的に非自明な性質を示す可能性があるかどうかを調査すること。
• 表面状態における奇数個のフェルミギャップの同定を通じて、3Dビismuth系における位相的に非自明な性質の直接的実験的証明を提供すること。

提案手法

• 高分解能角度分解光電子分光法（ARPES）は、Advanced Light Sourceのビームライン12.0.1を用い、10 Kで28–46 eVの光子を用いて実施された。
• Bi2Te3単結晶およびBi(111)薄膜のイン・スイット切断により、測定に適した原子レベルで清浄な表面を確保した。
• 高品質で単結晶のBi(111)薄膜（厚さ20 nmおよび30 nm）を、二段階式分子線エpitaxy（MBE）法を用いてBi2Te3(111)基板上に成長させた。
• RHEEDおよびSTMを用いて、薄膜の高い結晶性および平坦性を確認した。ステップ高さは0.4 nmのバイレイヤーと整合的であった。
• X線回折（XRD）および面内格子定数の測定を用いて、応力および構造的品質を分析した。基板の4.38 Åから、バルクBiの4.54 Åへと、約13 nmの厚さまで面内格子定数が拡張していることが示された。
• エネルギー分布曲線（EDC）およびフェルミ面マッピングを用いて、表面状態の同定とフェルミギャップ数のカウントを実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Bi2Te3(111)基板上に成長したBi(111)薄膜は、バルクBiに観測されていない第三の表面状態を示すか？
• RQ2 この第三の表面状態の存在が、奇数個のフェルミギャップ（フェルミギャップ）を生じさせ、位相的に非自明な性質を示すか？
• RQ3 Bi(111)薄膜の面内格子定数は厚さに応じてどのように変化するか？また、電子構造にどのような影響を及ぼすか？
• RQ4 Bi(111)/Bi2Te3(111)薄膜で観測された電子構造は、内在的な位相的性質によるものか、界面効果によるものか？
• RQ5 これらの薄膜の位相的性質は、三次元位相的絶縁体の理論的予測と整合的か？

主な発見

• 30 nmのBi(111)/Bi2Te3(111)薄膜において、Γ̄M点付近に、バルクBiに既知のS1およびS2表面状態とは異なる第三の表面状態が実験的に観測された。
• フェルミ面マッピングにより、表面状態のフェルミギャップが5点に分布しており、これは三次元的に位相的に非自明な性質を示す直接的な実験的証拠である。
• Bi(111)薄膜の面内格子定数は、基板の4.38 Å（Bi2Te3）から、バルクBiの4.54 Åへと、約13 nmの厚さまで増加しており、応力解放と格子拡張を示している。
• 30 nmのBi(111)/Bi2Te3(111)薄膜は、Bi(111)/Si(111)と比較してやや鋭いXRDピークを示しており、二段階式MBE成長法による結晶性の向上を示している。
• Γ̄Γ点付近のバンド構造では、S1およびS2表面状態が時間反転不変点で縮退しており、クライマー則の一致に合致している。
• バルクBiではΓ̄M点近辺でバルク伝導帯が検出されなかったが、薄膜系では、バルク価電子帯および伝導帯を横断する表面状態の接続が明確に特定された。