[論文レビュー] Work function of bulk-insulating topological insulator Bi2-xSbxTe3-ySey

Daichi Takane, S. Souma+4 more|Kölner Universitäts PublikationsServer (Universität zu Köln)|Jun 25, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、東北大学で実施された高分解能光電子分光法を用いて、バルク絶縁性ビスマスアンチモンチリウルイドセリウム（Bi2-xSbxTe3-ySey）位相的絶縁体の仕事関数を測定し、アンチモン含有量（x）が0.0から1.0に増加するに従い、4.95 eVから5.20 eVへと体系的に増加することを明らかにした。仕事関数のシフトは、ディラック錐における化学ポテンシャルシフトと直接相関しており、電子親和力ピン留めを確認するとともに、TIベースのスピントロニクス素子における界面設計指針を提供する。

ABSTRACT

Recent discovery of bulk insulating topological insulator (TI) Bi2-xSbxTe3-ySey paved a pathway toward practical device application of TIs. For realizing TI-based devices, it is necessary to contact TIs with a metal. Since the band-bending at the interface dominates the character of devices, knowledge of TIs' work function is of essential importance. We have determined the compositional dependence of work function in Bi2-xSbxTe3-ySey by high-resolution photoemission spectroscopy. The obtained work-function values (4.95-5.20 eV) show a systematic variation with the composition, well tracking the energy shift of the surface chemical potential seen by angle-resolved photoemission spectroscopy. The present result serves as a useful guide for developing TI-based electronic devices.

研究の動機と目的

• バルク絶縁性位相的絶縁体であるBi2-xSbxTe3-ySey系の組成依存性における仕事関数を特定すること。
• 仕事関数とディラック錐表面状態における化学ポテンシャルシフトとの間の定量的関係を確立すること。
• 効率的な位相的絶縁体ベースのスピントロニクス素子の設計に不可欠な界面パラメータを提供すること。
• さまざまな位相的絶縁体と一般的な接触金属の仕事関数を比較し、デバイス統合に向けた評価を行うこと。
• 光電子分光スペクトルにおけるバイアス電圧依存性の欠如を通じて、測定された仕事関数の本質的性質を検証すること。

提案手法

• 東北大学で実施された、ヘリウムアイソトープKα線（hν = 21.218 eV）を用いた高分解能光電子分光法（PES）とトロイダル回折回折格子分光器を用いた測定。
• 単結晶Bi2-xSbxTe3-ySey試料をイン・サイトで割り、原子的に清浄でミラー状の表面を形成。
• 試料に可変バイアス電圧を印けて、PESスペクトルにおける運動エネルギー切断エネルギー（E_cut）とフェルミエネルギー位置（E_0）を測定。
• エネルギー分解能を20 meVに設定し、仕事関数（Φ）は式 Φ = hν - E_0 + E_cut を用いて計算。
• Sbドーピング度合いに応じた3つの組成（x = 0.0, 0.25, 1.0）を体系的に測定し、異なるSbドープBi2Te3-ySey相に対応。
• 代表的TI（Bi2Te3, Bi2Se3）および一般的な接触金属（Cu, Ag, Au, Fe, CoFeB, パーマロイ）の仕事関数と比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バルク絶縁性Bi2-xSbxTe3-ySeyの仕事関数は、アンチモンドーピング度（x）にどのように依存するか？
• RQ2 測定された仕事関数はバイアス電圧に依存せず、本質的性質を有するか？
• RQ3 角度分解光電子分光法で観察された化学ポテンシャルシフトと、仕事関数の相関関係は何か？
• RQ4 Bi2-xSbxTe3-ySeyの相対的仕事関数は、他の位相的絶縁体および一般的な接触金属と比較してどうなるか？
• RQ5 仕事関数の差が、位相的絶縁体デバイスにおけるバンド湾曲および接触工学に与える影響は何か？

主な発見

• Bi2-xSbxTe3-ySeyの仕事関数は、x = 0.0で4.95 eV、x = 1.0で5.20 eVへと体系的に増加した。
• 測定された仕事関数は、印加バイアス電圧に依存せず、本質的性質を有することが確認された。
• 0.25 eVの仕事関数上昇は、ディラック錐における化学ポテンシャルの0.3 eVの下方シフトとよく一致しており、一貫した電子親和力ピン留めが示された。
• Bi2-xSbxTe3-ySey（4.95–5.20 eV）の仕事関数はBi2Te3（5.25 eV）およびBi2Se3（5.60 eV）より低く、PBST（4.80 eV）およびTBS（4.70 eV）よりは高い。
• 銅（4.65 eV）、銀（4.26 eV）、チタン（4.33 eV）はBi2-xSbxTe3-ySeyより低い仕事関数を示しており、良好なオミクス接触ポテンシャルを示唆する。
• フェロ磁性金属であるFe（4.5 eV）、CoFeB（4.8 eV）、パーマロイ（4.83 eV）はBi2-xSbxTe3-ySeyより低い仕事関数を示しており、界面で0.15–0.7 eVの顕著なバンド湾曲が予想される。