[论文解读] A consistent view of the samarium hexaboride terminations to resolve the nature of its surface states

Hartmut Herrmann, P. Hlawenka+12 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2018

Rare-earth and actinide compounds被引用 4

一句话总结

本研究通过将特定表面形貌与不同的晶体端面联系起来，调和了关于SmB6 (100) 表面STM与ARPES观测结果之间的矛盾。利用偏压依赖的STM对比度和元素特异性态密度，研究识别出未重构的(1×1)表面为硼端面，而(2×1)结构为钐端面，解决了长期存在的争议，并支持表面导电性的非拓扑起源，其机制为Sm 4f能级位移。

ABSTRACT

The research effort prompted by the prediction that SmB$_6$ could be the first topological Kondo insulator has produced a wealth of new results, though not all of these seem compatible. A major discrepancy exists between scanning tunneling microscopy / spectroscopy (STM/S) and angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES), because the two experimental methods suggest a very different number of terminations of the (100) surface with different properties. Here we tackle this issue in a combined STM/S and ARPES study. We find that two of the well-ordered topographies reported in earlier STM studies can be associated with the crystal terminations identified using photoemission. We further observe a reversal of the STM contrast with bias voltage for one of the topographies. We ascribe this result to a different energy dependence of Sm and B-derived states, and show that it can be used to obtain element specific images of SmB$_6$ and identify which topography belongs to which termination. We finally find STS results to support a modification of the low-energy electronic structure at the surface that has been proposed as the trivial origin of surface metallicity in this material.

研究动机与目标

• 解决STM与ARPES在SmB6 (100) 表面端面问题上的长期争议。
• 建立有序STM形貌与光电子能谱所识别的化学上不同的晶体端面之间的直接关联。
• 通过检验Sm 4f能级位移作为非拓扑机制的假设，阐明SmB6表面导电性的起源。
• 确定如(2×1)等表面重构是否与纯端面一致，或需要复杂的结构模型。

提出的方法

• 在同一样品的解理表面上进行STM与ARPES联合实验。
• 通过偏压依赖的STM测量，探测来自Sm与B态的能量依赖隧穿电流。
• 分析角分辨光电子能谱，识别Sm 4f与B 2p核心能级及其端面特异性强度位移。
• 利用微分电导率（dI/dV）比较不同形貌的局域电子结构。
• 将ARPES中的Umklapp强度与STM形貌进行对比，以评估超结构的起源。
• 对光电子能谱数据应用费米-狄拉克校正，以揭示费米能级附近的态演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪种STM形貌对应于B端面，哪种对应于Sm端面？
• RQ2 偏压依赖的STM对比度如何实现对SmB6表面的元素特异性成像？
• RQ3 STM的多种形貌与ARPES的两种不同端面之间看似矛盾的结果能否被调和？
• RQ4 在B端面的ARPES中观察到的Umklapp强度的起源是什么？
• RQ5 SmB6中观测到的表面导电性是否源于Sm 4f态的平凡位移，而非拓扑表面态？

主要发现

• 基于B 2p态的能量依赖贡献导致偏压增加时STM对比度反转，未重构的(1×1)STM形貌被归因于B端面。
• (2×1)STM形貌被归因于Sm端面，与B态贡献缺失及隧穿中Sm 4f态主导一致。
• ARPES数据证实存在两种不同的端面，具有化学纯净的Sm与B表面层，支持STM形貌与特定端面的对应关系。
• (1×1)与(2×1)形貌的微分电导率显示不同的电子结构，支持费米能级附近Sm 4f类态强度的端面依赖性位移。
• 在B端面的ARPES中观察到Umklapp强度，但尚未完全解释，可能源于STM中不可见的微小结构畸变，如B八面体倾斜。
• 本研究提供了强有力的证据，表明SmB6中的表面金属性可能源于Sm 4f能级位移的平凡机制，而非拓扑表面态。