In-situ spectroscopy of intrinsic Bi2Te3 topological insulator thin films and impact of extrinsic defects
P. Ngabonziza, R. Heimbuch, N. de Jong, R. A. Klaassen, M. P. Stehno, M. Snelder, A. Solmaz, S. V. Ramankutty, E. Frantzeskakis, E. van Heumen, G. Koster, M. S.… 展开作者
P. Ngabonziza, R. Heimbuch, N. de Jong, R. A. Klaassen, M. P. Stehno, M. Snelder, A. Solmaz, S. V. Ramankutty, E. Frantzeskakis, E. van Heumen, G. Koster, M. S. Golden, H. J. W. Zandvliet, A. Brinkman
Combined in-situ x-ray photoemission spectroscopy, scanning tunnelling spectroscopy and angle resolved photoemission spectroscopy of molecular beam epitaxy grown Bi2Te3 on lattice mismatched substrates reveal high quality stoichiometric thin films with topological surface states without a contribution from the bulk bands at the Fermi energy. The absence of bulk states at the Fermi energy is achieved without counter doping. We observe that the surface morphology and electronic band structure of Bi2Te3 are not affected by in-vacuo storage and exposure to oxygen, whereas major changes are observed when exposed to ambient conditions. These films help define a pathway towards intrinsic topological devices.
Intrinsic and extrinsic perturbations on the topological insulator Bi2Se3 surface states
利用密度泛函电子结构方法，研究了本征和非本征扰动对强拓扑绝缘体Bi $_2$ Se $_3$表面态Dirac锥的影响.我们认为原子弛豫，薄膜厚度作为内在和界面薄介电膜作为一个外在的源扰动的表面状态。我们发现原子弛豫对狄拉克锥的简并度没有影响，而薄膜厚度对表面态有相当大的影响，诱导一个间隙，随着薄膜厚度的减小而单调增加。我们认为两个绝缘基板BN和石英作为介电薄膜，并表明，表面终端石英钝化或不钝化起着至关重要的作用，在维护狄拉克锥简并，而BN是更惰性的TI表面状态。用一种简单的算法计算出相对于体原子的相对轨道贡献，并在此基础上证明了自旋-轨道耦合打开时体原子能带的反转.表面态的层投影电荷密度分布表明，这些态并不严格局限于表面.这些态的空间限制扩展到两到三个五重层，一个五重层由Bi和Se的五个原子层组成
Inducing Lifshitz transition by extrinsic doping of surface bands in topological crystalline insulator Pb$_{1-x}$Sn$_{x}$Se
研究了窄隙半导体Pb $_{1-x}$ Sn $_{x}$ Se在其岩盐结构相中的拓扑保护表面态，x=0.45、0.23、0.15和0。角分辨光电子能谱学的本质上p掺杂的样品显示出两个狄拉克锥，偏心的时间反转不变点X的表面布里渊区的所有，但x=0的样品的明确指示。碱金属的吸附逐渐使表面带充满电子，驱动x>0拓扑晶体绝缘体系统通过Lifshitz转变，并从空穴到电子的费米表面。x>0样品中的电子掺杂带显示出狄拉克锥的完整构型，也证实了表面带的电子-空穴对称性。
Toward the intrinsic limit of topological insulator Bi2Se3
结合高分辨率扫描隧道显微镜和第一性原理计算，我们确定了主要的本征缺陷，特别是Se空位和Se间隙缺陷，负责原型拓扑绝缘体Bi 2 Se 3的单晶体导电和纳米级电位波动。在这里，它是建立在Bi2Se3中的缺陷浓度远高于热力学极限，并且生长动力学主导所观察到的缺陷浓度。此外，通过仔细控制的合成，我们的隧道光谱表明，我们最好的样品接近本征极限的费米能级内的带隙，而不引入外来掺杂剂。
Orbit- and Atom-Resolved Spin Textures of Intrinsic, Extrinsic and Hybridized Dirac Cone States
结合第一性原理计算和自旋及角分辨光电子能谱测量，我们确定了二维拓扑绝缘体Bi（111）双层和三维拓扑绝缘体Bi 2 Se 3或Bi 2 Te 3界面系统中三种不同Dirac锥态的螺旋自旋织构.发现Bi_2Se_3或Bi_2Te_3表面态的本征狄拉克锥、Rashba效应诱导的Bi双层态的外征狄拉克锥以及前两态之间的杂化狄拉克锥的自旋织构是相同的。进一步的轨道和原子分辨分析表明，s和pz轨道有一个顺时针（逆时针）自旋旋转与上（下）狄拉克锥的等能轮廓相切，而px和py轨道有一个额外的径向自旋分量。狄拉克锥态可能位于不同的原子层上，但具有相同的自旋纹理。我们的研究结果表明，狄拉克锥态的独特自旋织构是自旋轨道耦合的一个标志性性质，与拓扑结构无关。
Stability of low-carrier-density topological-insulator Bi$_2$Se$_3$ thin films and effect of capping layers
尽管在过去的几年中，在拓扑绝缘体（TI）的材料方面已经取得了许多进展，但是这些材料的持续挑战之一是保护它们免受老化。特别是，低载流子密度的体绝缘Bi $_2$ Se $_3$薄膜及其对空气的敏感性的最新发展需要可靠的覆盖层来稳定其电子特性。在这里，我们研究了低载流子密度的Bi $_2$ Se $_3$薄膜在空气中的稳定性，并使用DC和太赫兹探针的各种覆盖层。在没有任何覆盖层的情况下，载流子密度在一周内增加约150%，在9个月内增加约280%。原位沉积Se和异位沉积聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）在9个月内分别将老化效应抑制至约27%和约88%。有效的覆盖层和低载流子密度的TI膜的组合将在拓扑绝缘体中开辟新的机会。
Electronic Structure of the Topological Insulator Bi2Se3 Using Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy: Evidence for a Nearly Full Surface Spin Polarization
我们进行了高分辨率的自旋和角度分辨光电子能谱研究的电子结构和自旋织构的Bi $_2$ Se $_3$，一个模型拓扑绝缘体的表面。通过调节光子能量，我们发现在体布里渊区的$k_z=Z$平面附近，拓扑表面态与体态有很好的分离。该区域的自旋分辨测量表明表面态$\sim 0.75$的自旋极化程度非常高，远高于先前报道的。我们的研究结果表明，在Bi $_2$ Se $_3$上的拓扑表面态是高度自旋极化的，并且限制极化的主导因素主要是外在的。
Strain Tunable Semimetal-Topological-Insulator Transition in Monolayer 1T'-WTe2
量子自旋霍尔绝缘体（QSHI）表现为其导电边缘通道，起源于绝缘体态的非平凡拓扑结构。单层1 T '-WTe 2在输运测量中表现出这种量化的边缘电导，但由于其半金属性质，相干长度被限制在100 nm左右。为了克服这种限制，我们提出了一种应变工程技术来调整电子结构，其中沿a轴的压缩应变或沿b轴的拉伸应变可以驱动1 T '-WTe 2进入全间隙绝缘相。分子束外延和原位扫描隧道显微镜/光谱的联合研究，然后证实了这样的相变。同时，拓扑边缘状态被发现是非常强大的应变的存在。
Growth dynamics and thickness-dependent electronic structure of topological insulator Bi2Te3 thin films on Si
利用实时反射高能电子衍射强度振荡建立了分子束外延Si（111）衬底上Bi 2 Te 3拓扑绝缘体薄膜的富Te生长动力学。原位角分辨光电子能谱（ARPES）、扫描隧道显微镜和非原位输运测量表明，未掺杂的Bi2Te3薄膜是一种本征的拓扑绝缘体，其费米能级只与金属表面态相交。在实验上，我们发现单狄拉克锥表面态的发展在两个五重层（2 QL）的厚度。从理论上讲，我们表明，从膜的两侧，这是由拓扑表面态波函数的穿透深度确定的表面态之间的相互作用，设置这个厚度下限。
Using nonlocal surface transport to identify the axion insulator
轴子是一种假想的粒子，但在实验中未被探测到。最近，反铁磁拓扑绝缘体MnBi $_2$ Te $_4$已被预测为宿主的轴子绝缘体，但实验证据仍然难以捉摸。具体地说，轴子绝缘体被认为携带着“半量子化”的手性电流，在其顶面和底面上反平行运行。然而，精确测量半量化是具有挑战性的。在这里，我们提出了一个非局域表面输运装置，其中的轴子绝缘体可以区分正常的绝缘体没有一个精确的测量的半量子化。更重要的是，我们表明，非局部表面输运，作为一个定性的测量，是强大的，在现实情况下，当无间隙的侧面和混乱来发挥作用。此外，厚电极可用于MnBi $_2$ Te $_4$厚膜器件中，增强了表面测量的可行性。这对在拓扑物质中寻找轴子绝缘体和轴子具有重要的意义。
Nernst-Ettingshausen effect at the trivial-nontrivial band ordering in topological crystalline insulator Pb1-xSnxSe
从实验和理论上研究了Pb $_{1-x}$ Sn $_x$ Se合金在能隙消失区$E_g$附近的横向N-E效应和电子迁移率随温度和化学成分的变化。这项研究的动机是最近的发现，通过降低温度，可以改变能带排序从平凡到非平凡的拓扑晶体绝缘体状态出现在表面。我们的工作提出了几个新的方面。实验和理论分析表明，当混晶的能隙$E_g$为零时，体N-E效应达到最大值。这一结果与文献中提出的当能隙消失时N-E效应改变符号的说法相矛盾。我们成功地描述了$dc$输运效应的极端带的非抛物性的情况下，据我们所知，从来没有尝试过。在电子\textbf{k}矢量中，二维能带（拓扑表面态）和三维能带都是线性的。分析了Pb $_{1-x}$ Sn $_x$ Se中的各种散射模式及其对输运现象的贡献。由于能隙通过零，一些运输积分有一个奇异的（非物理）行为，我们演示了如何处理这个问题，通过引入阻尼。
Insulator-to-metal transition in the pyrochlore iridates series (Eu_1-xBi_x)2Ir2O7 probed using Hard X-ray Photoemission Spectroscopy
Eu 2 Ir 2 O 7，一个候选的Weyl半金属，显示了绝缘体到金属的过渡作为Bi取代在Eu网站的功能。本文采用硬X射线光电子能谱（HAXPES）研究了（Eu_（1-x）Bi_x）_2 Ir_2 O_7系列样品，发现Bi ~（3+）掺杂Eu ~（3+）时，在低Bi掺杂（3.5%）时，出现了20%的晶格收缩.使用HAXPES，我们确认，所有的阳离子保持其名义价态在整个系列。Bi芯能级谱的非对称性质的组合物中的金属区域表明，Bi有助于在此掺杂范围内的费米能的状态密度。价带谱表明Bi 6s峰在整个系列中没有改变，并且位于价带内的深处。基于这些观察，我们认为Bi 6p-Ir 5d杂化驱动绝缘体到金属的转变。
Observation of topological crystalline insulator surface states on (111)-oriented Pb$_{1-x}$Sn$_{x}$Se films
本文报道了用角分辨光电子能谱测量三维拓扑晶体绝缘体Pb $_{1-x}$ Sn $_{x}$ Se（111）取向薄膜的表面态。我们观察到的表面状态与Dirac-like色散在$\barΓ$和$\bar{M}$在表面布里渊区，支持最近的理论预测，这一系列的材料。我们研究了表面态的平行色散各向同性和Dirac点结合能，并进行紧束缚计算来支持我们的发现。相对简单的生长技术是令人鼓舞的，并建议一个明确的路径，为今后的调查应变，邻近性和替代表面取向的作用（铅，锡）硒化合物。
