[论文解读] Surface and electronic structure of SmB$_6$ through Scanning Tunneling Microscopy

Sarah E. Roessler, Lin Jiao+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2015

Rare-earth and actinide compounds被引用 6

一句话总结

本研究利用低温扫描隧道显微镜（STM）与谱学（STS）技术，解析了SmB6表面的原子尺度结构及电子不均匀性，揭示了Sm与B终止表面共存、表面重构以及空间变化的Kondo类Fano共振。关键发现为：与空间变化的Sm价态和杂化相关的电子不均匀性，与表面终止状态密切相关，可能构成该材料拓扑表面态的物理基础。

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.

研究动机与目标

• 利用原位STM在原子尺度上解析SmB6的表面结构，以识别表面终端与重构。
• 研究SmB6表面可能源于其极性(001)表面与Sm的中间价态的电子不均匀性。
• 通过低温下的隧道谱学探测Kondo类效应的存在及其空间变化。
• 确定电子不均匀性是否与表面终端及杂化强度相关。
• 评估表面重构与价态涨落在掩盖或调制拓扑表面态中的作用。

提出的方法

• 在约20 K的超高真空（UHV）条件下对SmB6单晶进行原位解理，以暴露原子级平整的表面。
• 在4.6 K与0.3 K下进行低温STM/STS测量，采用锁相技术与117 Hz偏置调制，以绘制表面形貌与局域态密度（LDOS）。
• 将dI/dV谱拟合至Fano共振模型（方程1），以提取杂化宽度（Γ）与不对称参数（|q|）。
• 对Γ与|q|进行空间映射，以分析电子不均匀性与表面结构之间的关联。
• 进行温度依赖的STS测量（6–50 K），以探测零偏置异常与能隙行为的演化。
• 对比不同表面终端（Sm终止、B终止、重构）的谱图，以分离与终端相关的电子效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 SmB6的(001)与(110)晶面中主导的表面终端是什么？它们在原子尺度上如何共存？
• RQ2 SmB6表面的电子不均匀性在多大程度上与表面终端及局域杂化强度相关？
• RQ3 隧道谱中的Fano型线型是否可归因于Kondo类多体效应？其随温度如何演化？
• RQ4 杂化宽度（Γ）与不对称参数（|q|）的空间变化如何与表面Sm的中间价态相关？
• RQ5 表面极性与重构在调制电子结构并掩盖拓扑表面态中起何种作用？

主要发现

• 原子分辨的STM显示，在同一(001)SmB6表面中存在共存的Sm终止、B终止以及重构（2×1与非晶态）表面，其终端区域从几纳米至微米量级不等。
• 在B终止与重构表面中观测到dI/dV谱中的Fano共振线型，表明存在Kondo类多体效应，且其能隙随温度变化而关闭。
• 空间映射显示，杂化宽度（Γ）与不对称参数（|q|）呈反相关，暗示更强的杂化与更低的导带隧穿概率相关。
• Fano共振的能量（E₀）在−7 meV至+1 meV之间变化，峰值位于−3.8 meV，表明其接近费米能级，可能存在次能隙态。
• 确认SmB6的杂化能隙约为15–20 meV，与先前的ARPES与输运研究结果一致。
• 温度依赖的STS显示，随着温度升高，零偏置处的部分能隙关闭，与Kondo效应预期的对数温度依赖性一致。