[논문 리뷰] Work function of bulk-insulating topological insulator Bi2-xSbxTe3-ySey

Daichi Takane, S. Souma외 4명|Kölner Universitäts PublikationsServer (Universität zu Köln)|2016. 06. 25.

Topological Materials and Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 광전자분광법을 사용하여 부스터-비스무트 안티모니드 텔루라이드 셀레니드(Bi2-xSbxTe3-ySey) 계열의 부스터-절연성 톱올로지컬 인산화물의 일함수를 측정하였으며, 안티모니 농도(x)가 0.0에서 1.0으로 증가함에 따라 일함수가 체계적으로 4.95 eV에서 5.20 eV로 증가하는 것으로 밝혀졌다. 일함수의 이동은 디르락 콘의 화학적 위치 이동과 직접적으로 상관되며, 전자 친화도의 고정 현상이 확인되었고, 이는 TI 기반 스핀트로닉스 장치의 인터페이스 설계에 필수적인 가이드라인을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 부스터-절연성 톱올로지컬 인산화물인 Bi2-xSbxTe3-ySey 계열의 조성에 따른 일함수의 의존도를 규명하는 것.
• 디르락 콘 표면 상태에서의 화학적 위치 이동과 일함수 간의 정량적 연관성을 확립하는 것.
• 효율적인 톱올로지컬 인산화물 기반 스핀트로닉스 장치 설계를 위한 필수 인터페이스 파라미터를 제공하는 것.
• 장치 통합을 위한 다양한 톱올로지컬 인산화물과 일반 접합 금속의 일함수를 비교하는 것.
• 광전자 스펙트럼에서의 전압 비의존성에 의해 일함수 측정의 본질적 성격을 검증하는 것.

제안 방법

• 도쿄 대학에서 실시한 고해상도 광전자분광법(PES)을 사용하였으며, He Iα 원천(hν = 21.218 eV)과 토이로이드 격자 분광기 사용.
• 단일 결정 Bi2-xSbxTe3-ySey 시료의 현장에서의 균열 처리를 통해 원자적으로 깨끗하고 거울 같은 표면을 확보.
• 표면의 운동 에너지 截거점(E_cut)과 패피 에 bord(E_0)를 측정하기 위해 표면에 가변 전압을 적용.
• 에너지 해상도를 20 meV로 설정하고, 공식 Φ = hν - E_0 + E_cut를 사용하여 일함수(Φ)를 계산.
• 다양한 Sb 도핑 농도를 가진 세 가지 조성(x = 0.0, 0.25, 1.0)에 대해 체계적인 측정 수행. 이는 서로 다른 Sb 도핑된 Bi2Te3-ySey 상을 나타냄.
• 기본적인 TI(Bi2Te3, Bi2Se3)와 일반 접합 금속(Cu, Ag, Au, Fe, CoFeB, 퍼멀로이)의 일함수와의 비교 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 부스터-절연성 Bi2-xSbxTe3-ySey의 일함수는 안티모니 도핑(x)에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 측정된 일함수는 적용된 전압에 독립적인가?
• RQ3 역산각 광전자분광법에서 관측된 화학적 위치 이동과 일함수 간의 상관관계는 어떠한가?
• RQ4 Bi2-xSbxTe3-ySey의 상대 일함수는 다른 톱올로지컬 인산화물과 일반 접합 금속과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 일함수의 차이가 톱올로지컬 인산화물 장치의 밴드 굽힘과 접합 설계에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• Bi2-xSbxTe3-ySey의 일함수는 x = 0.0일 때 4.95 eV에서 x = 1.0일 때 5.20 eV로 체계적으로 증가한다.
• 측정된 일함수는 적용된 전압에 영향을 받지 않으며, 이는 그 본질적 성격을 확인한다.
• 일함수 0.25 eV의 증가가 디르락 콘의 화학적 위치 0.3 eV의 하향 이동과 거의 정확히 일치하여 전자 친화도 고정 현상이 일관되게 관찰됨을 시사한다.
• Bi2-xSbxTe3-ySey의 일함수(4.95–5.20 eV)는 Bi2Te3(5.25 eV)와 Bi2Se3(5.60 eV)보다 낮지만, PBST(4.80 eV)와 TBS(4.70 eV)보다는 높다.
• 구리(4.65 eV), 은(4.26 eV), 티타늄(4.33 eV)은 Bi2-xSbxTe3-ySey보다 낮은 일함수를 가지며, 이는 양호한 옴믹스 접촉 잠재력을 시사한다.
• 철(4.5 eV), CoFeB(4.8 eV), 퍼멀로이(4.83 eV)와 같은 투자성 금속은 Bi2-xSbxTe3-ySey보다 낮은 일함수를 가지며, 이는 그들 간의 인터페이스에서 상당한 밴드 굽힘(0.15–0.7 eV)이 발생할 가능성을 시사한다.