[논문 리뷰] Topologically Nontrivial Bismuth(111) Thin Films Grown on Bi2Te3

M. Yao, Fengfeng Zhu외 8명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 15.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 38인용 수 42

한 줄 요약

이 연구는 Bi2Te3(111) 기반상에 성장한 Bi(111) 박막에서 고해상도 각도분 giải 광전자분광법(ARPES)을 사용하여 Ā¸M 점 근처에 제3의 표면 밴드를 관측하였다. 다섯 개인 파울리 경계 교차점의 홀수 개수는 이러한 박막이 3차원적으로 위상적으로 비자명한 성질을 띠고 있음을 직접적인 실험적 증거로 제공하며, 이는 이전에 부스러기 비ism의 자명한 위상 구조에 대한 가정을 도전한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 ARPES를 사용하여 Bi2Te3(111) 기반상에 성장한 Bi(111) 박막의 전자 구조를 규명한다.
• 기존에 알려진 부스러기 Bi(111)의 표면 밴드에 대한 이론적 예측과 실험적 관측 간의 오랜 모순을 해결한다.
• Bi(111) 박막이 두께에 따른 밴드 구조나 인터페이스 효과로 인해 위상적으로 비자명한 성질을 나타낼 수 있는지 조사한다.
• 표면 상태에서 홀수 개의 파울리 경계 교차점을 식별함으로써 3차원 Bi 기반 시스템에서 위상적 비자명성에 대한 직접적인 실험적 증거를 제공한다.

제안 방법

• 고해상도 각도분해 광전자분광법(ARPES)은 미국 고에너지 물리학 연구소의 12.0.1 비임에서 10 K에서 28–46 eV의 광자를 사용하여 수행되었다.
• Bi2Te3 단일결정체와 Bi(111) 박막의 현장에서의 깨짐을 통해 측정을 위한 원자적으로 깨끗한 표면을 확보하였다.
• 두 단계로 나누어진 분자束외향성 에pitaxial(MBE) 성장 방법을 사용하여 Bi2Te3(111) 기반상에 두께 20 nm 및 30 nm인 고품질 단일결정 Bi(111) 박막을 성장시켰다.
• RHEED 및 STM을 통해 박막의 높은 결정질 품질과 평탄함을 확인하였으며, 0.4 nm 이중층에 해당하는 단계 높이가 일치하였다.
• X선 회절(XRD) 및 평면내 격자 상수 측정을 통해 응력과 구조적 품질을 분석하였으며, 기준물질인 4.38 Å에서부터 부스러기 Bi의 4.54 Å로 평면내 격자 상수가 증가함을 확인하였고, 이는 약 13 nm 두께까지의 증가에 해당하였다.
• 에너지 분포 곡선(EDC)과 파울리 표면 매핑를 통해 표면 밴드를 식별하고 파울리 경계 교차점을 세었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Bi2Te3(111) 기반상에 성장한 Bi(111) 박막은 부스러기 Bi에서 관측되지 않은 제3의 표면 밴드를 나타내는가?
• RQ2 이 제3의 표면 밴드 존재로 인해 홀수 개의 파울리 경계 교차점이 발생하는가? 이는 위상적으로 비자명한 성질을 나타내는가?
• RQ3 Bi(111) 박막의 평면내 격자 상수가 두께에 따라 어떻게 변화하는가? 이는 전자 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 Bi(111)/Bi2Te3(111) 박막에서 관측된 전자 구조는 내재된 위상적 성질인지, 인터페이스 효과에 기인한 것인가?
• RQ5 이러한 박막의 위상적 성질은 3차원 위상 절연체 이론 예측과 일치하는가?

주요 결과

• 30 nm 두께의 Bi(111)/Bi2Te3(111) 박막에서 Ā¸M 점 근처에 제3의 표면 밴드가 실험적으로 관측되었으며, 이는 부스러기 Bi에서 알려진 두 개의 표면 밴드(S1 및 S2)와는 다름을 보였다.
• 파울리 표면 매핑 결과 표면 밴드에 대해 다섯 개의 파울리 경계 교차점이 확인되었으며, 이는 3차원적으로 위상적으로 비자명한 성질을 나타내는 직접적인 실험적 징후이다.
• Bi(111) 박막의 평면내 격자 상수는 기준물질인 Bi2Te3 기반상의 4.38 Å에서부터 부스러기 Bi의 4.54 Å로 증가하였으며, 이는 약 13 nm 두께까지의 증가에 해당하여 응력 완화와 격자 팽창을 나타낸다.
• 30 nm 두께의 Bi(111)/Bi2Te3(111) 박막은 Bi(111)/Si(111)에 비해 약간 더 좁은 XRD 피크를 보이며, 이는 두 단계 MBE 성장 방법으로 인해 결정 품질 향상이 이루어졌음을 시사한다.
• Ā¸Γ 점 근처의 밴드 구조에서 S1 및 S2 표면 밴드가 시간역전 대칭 불변점에서 융합되었으며, 이는 크라머스 degeneracy와 일치한다.
• 부스러기 Bi에서 Ā¸M 근처의 부스러기 도체 밴드 검출에 실패한 문제를 박막 시스템에서 해결하여, 부스러기 가성과 도체 밴드를 가로질러 표면 상태의 연결성을 명확히 규명하였다.