[논문 리뷰] Surface and electronic structure of SmB$_6$ through Scanning Tunneling Microscopy

Sarah E. Roessler, Lin Jiao외 7명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 22.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 저온 스캐닝 턨널링 현미경(STM) 및 스펙트로스코피(STS)를 사용하여 SmB6의 원자 척도 표면 구조와 전자적 비균일성을 규명하여, Sm과 B로 끝나는 표면이 공존하고, 재구성이 이루어지며, 공간적으로 변하는 코нд로-유사 Fano 공명이 존재하는 것을 밝혀냈다. 주요 발견은 전자적 비균일성, 즉 공간적으로 변화하는 Sm의 산화 상태와 혼성화 정도와의 강한 상관관계가 표면 끝남과 연관되어 있으며, 이는 물질의 토폴로지적 표면 상태의 기초가 될 수 있다.

ABSTRACT

SmB$_6$, a so called Kondo insulator, is recently discussed as a candidate material for a strong topological insulator. We present detailed atomically resolved topographic information on the (001) surface from more than a dozen SmB$_6$ samples. Atomically flat, {\it in situ} cleaved surfaces often exhibit B- and Sm-terminated surfaces as well as reconstructed and non-reconstructed areas {\it coexisting} on different length scales. The terminations are unambiguously identified. In addition, electronic inhomogeneities are observed which likely result from the polar nature of the (001) surface and may indicate an inhomogeneous Sm valence at the surface of SmB$_6$. In addition, atomically resolved topographies on a (110) surface are discussed.

연구 동기 및 목표

• 현장에서의 STM를 사용하여 SmB6의 원자 척도 표면 구조를 규명하여 표면 끝남과 재구성을 식별한다.
• SmB6 표면의 전자적 비균일성이 그의 극성(001) 표면과 Sm의 중간 산화 상태에서 기인할 수 있는지를 조사한다.
• 저온에서의 터널링 스펙트로스코피를 통해 코нд로-유사 효과의 존재와 공간적 변화를 탐색한다.
• 전자적 비균일성이 표면 끝남과 혼성화 강도와 상관관계가 있는지를 규명한다.
• 표면 재구성과 산화 상태 변동이 토폴로지적 표면 상태를 가리거나 조절하는 데 어떤 역할을 하는지 평가한다.

제안 방법

• 초고진공(UHV) 조건에서 약 20 K에서 SmB6 단일결정체를 현장에서 갈라내어 원자적으로 평탄한 표면을 노출시킨다.
• 117 Hz의 편향 변조를 사용한 锁相 기법을 적용한 4.6 K 및 0.3 K에서의 저온 STM/STS 측정을 통해 표면 형태와 국소 상태 밀도(LDOS)를 맵핑한다.
• dI/dV 스펙트럼을 Fano 공명 모델(식 1)에 적합시켜 혼성화 폭(Γ)과 비대칭 파라미터(|q|)를 추출한다.
• Γ와 |q|의 공간 맵핑을 통해 전자적 비균일성과 표면 구조 간의 상관관계를 분석한다.
• 온도 의존적 STS(6–50 K)를 통해 영편이 비편향 이상의 진화와 갭 행동을 탐색한다.
• 다른 표면 끝남(예: Sm 끝남, B 끝남, 재구성된 표면) 간의 스펙트럼 비교를 통해 끝남에 따라 달라지는 전자적 효과를 분리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SmB6의 (001) 및 (110) 면에서 지배적인 표면 끝남은 무엇이며, 이들이 원자 척도에서 어떻게 공존하는가?
• RQ2 SmB6 표면의 전자적 비균일성이 표면 끝남과 국소적 혼성화 강도와 어느 정도 상관관계가 있는가?
• RQ3 터널링 스펙트럼에서 관찰되는 Fano 유형의 선형형상은 코нд로-유사 다체 효과에 기인하는가, 그리고 이는 온도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 혼성화 폭(Γ)과 비대칭 파라미터(|q|)의 공간적 변화는 표면에서 Sm의 중간 산화 상태와 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ5 표면 극성과 재구성이 전자 구조를 조절하고 토폴로지적 표면 상태를 가리기 위해 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 원자적으로 해상도가 확보된 STM는 동일한 (001) SmB6 표면에서 공존하는 Sm 끝남, B 끝남, 그리고 재구성된 표면(2×1 및 무질서 상태)을 확인하였으며, 끝남의 영역는 수 나노에서 수 마이크론까지 다양하다.
• B 끝남 표면과 재구성된 표면에서 dI/dV 스펙트럼에 Fano 공명 선형형상이 관찰되어, 온도 의존적인 갭 닫힘을 보이는 코нд로-유사 다체 효과를 시사한다.
• 공간 맵핑 결과, 혼성화 폭(Γ)과 비대칭 파라미터(|q|) 사이에 반비례 관계가 존재하여, 더 강한 혼성화가 도체 밴드로의 터널링 확률 감소와 관련되어 있음을 시사한다.
• Fano 공명의 에너지(E₀)는 −7 meV에서 +1 meV 사이에서 변동하며, 피크는 −3.8 meV에 위치하여, 패배 에너지 수준에 가까이 있으며 가능한 금속 상태가 존재할 수 있음을 시사한다.
• SmB6의 혼성화 갭은 이전의 ARPES 및 전도도 측정 연구와 일치하는 약 15–20 meV임을 확인하였다.
• 온도 의존적 STS 측정 결과, 온도가 상승함에 따라 영편이 비편향 부분의 갭이 닫히는 경향을 보였으며, 이는 코нд로 효과에서 예상되는 로그 온도 의존성과 일치한다.