[论文解读] Work function of bulk-insulating topological insulator Bi2-xSbxTe3-ySey

Daichi Takane, S. Souma+4 more|Kölner Universitäts PublikationsServer (Universität zu Köln)|Jun 25, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用 3

一句话总结

本研究利用高分辨率光电子能谱法测量了体绝缘型铋锑碲硒（Bi2-xSbxTe3-ySe y）拓扑绝缘体的功函数，发现随着锑含量（x）从0.0增加到1.0，功函数系统性地从4.95 eV上升至5.20 eV。功函数的变化与狄拉克锥表面态中化学势的偏移直接相关，证实了电子亲和势钉扎效应，并为基于拓扑绝缘体的自旋电子学器件提供了关键的界面设计指导。

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.

研究动机与目标

• 确定体绝缘型Bi2-xSbxTe3-ySe y体系拓扑绝缘体的功函数与组分的依赖关系。
• 建立功函数与狄拉克锥表面态中化学势偏移之间的定量关联。
• 为设计高效的基于拓扑绝缘体的自旋电子学器件提供关键的界面参数。
• 比较不同拓扑绝缘体与常见接触金属的功函数，以支持器件集成。
• 通过光电子谱中偏压电压无关性验证功函数测量的本征性。

提出的方法

• 采用日本东北大学的He Iα光源（hν = 21.218 eV）和环形光栅单色仪进行高分辨率光电子能谱（PES）测量。
• 通过原位解理单晶Bi2-xSbxTe3-ySe y样品，获得原子级清洁、镜面般的表面。
• 对样品施加可变偏压，以测量光电子能谱中的动能截止能量（E_cut）和费米边位置（E_0）。
• 利用公式Φ = hν - E_0 + E_cut计算功函数，能量分辨率设定为20 meV。
• 系统测量三种组分：x = 0.0、0.25和1.0，分别对应不同锑掺杂的Bi2Te3-ySey相。
• 将测得的功函数值与典型拓扑绝缘体（Bi2Te3、Bi2Se3）及常见接触金属（Cu、Ag、Au、Fe、CoFeB、permalloy）进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 体绝缘型Bi2-xSbxTe3-ySe y的功函数如何随锑掺杂量（x）变化？
• RQ2 所测得的功函数是否具有本征性，且与外加偏压电压无关？
• RQ3 功函数与角分辨光电子能谱中观测到的化学势偏移之间存在何种关联？
• RQ4 Bi2-xSbxTe3-ySe y的相对功函数与其他拓扑绝缘体及常见接触金属相比如何？
• RQ5 功函数差异对拓扑绝缘体器件中能带弯曲与接触工程有何影响？

主要发现

• Bi2-xSbxTe3-ySe y的功函数随x从0.0增加到1.0，系统性地从4.95 eV上升至5.20 eV。
• 测得的功函数与外加偏压电压无关，证实其具有本征性。
• 功函数增加0.25 eV与狄拉克锥化学势下移0.3 eV高度一致，表明电子亲和势钉扎效应稳定存在。
• Bi2-xSbxTe3-ySe y的功函数（4.95–5.20 eV）低于Bi2Te3（5.25 eV）和Bi2Se3（5.60 eV），但高于PBST（4.80 eV）和TBS（4.70 eV）。
• 铜（4.65 eV）、银（4.26 eV）和钛（4.33 eV）的功函数低于Bi2-xSbxTe3-ySe y，表明其与拓扑绝缘体接触时具有有利的欧姆接触势垒。
• 铁（4.5 eV）、CoFeB（4.8 eV）和 permalloy（4.83 eV）等铁磁金属的功函数低于Bi2-xSbxTe3-ySe y，暗示其界面处存在显著的能带弯曲（0.15–0.7 eV）。