Vyšetření Bi2Te3 dopovaného prvky z VIII B skupiny periodické tabulky

Abstract

Previous studies have demonstrated that the fabricated topological insulators (TIs) are always heavily doped by intrinsic defects, vacancies and antisites. These defects pin the Fermi level to the bulk band edges and make it difficult to characterize the transport properties of topological states. Bi2Te3 behaves as an n-type semiconductor due to these defects and the Dirac point is buried deep below the EF. Thus, Fermi level tuning has become a technologically important issue in TI research. Single crystal samples with the nominal composition Bi2-xMxTe3 (M = Fe, Ru, Os, x = 0, 0.02, 0.04, 0.06) were grown by heating stoichiometric mixtures of elements followed by cooling in a horizontal furnace from 1073 K to 823 K at a rate of 6 K per hour. The crystal was subsequently annealed at 823 K for 350 h and quenched in air. Samples were examined with X-ray Diffraction and Electron Spectroscopy for Chemical Analysis. Electronic structure of samples was measured with k-space microscope via equienergetic cuts through the first Brillouin zone (BZ). The images were taken in the binding energy interval (+1, -2) eV. Electronic states in the vicinity of gap with an aspect of the Fermi edge location in the bulk were theoretically mapped using ab initio VASP code. The calculations were done by including relaxation, spin-orbit interaction and with the doped atoms in the substitutional (Bi) or interstitial positions.Předchozí studie ukázaly, že připravené topologické izolátory (TIs) jsou vždy silně dopovány intrinzickými defekty, vakancemi a antistrukturními. Tyto defekty připoutají Fermiho hladinu k okrajům objemového pásu a ztěžují charakterizaci transportních vlastností topologických stavů. Bi2Te3 se kvůli těmto defektům chová jako polovodič n-typu a Diracův bod se nachází hluboko pod EF. Ladění Fermiho hladiny se tak stalo technologicky důležitým tématem ve výzkumu TI. Monokrystalické vzorky s nominálním složením Bi2-xMxTe3 (M = Fe, Ru, Os, x = 0, 0.02, 0.04, 0.06) byly pěstovány zahříváním stechiometrických směsí prvků následovaným chlazením v horizontální peci z 1073 K na 823 K rychlostí 6 K za hodinu. Krystal byl následně temperován 350 h při 823 K a zakalen na vzduchu. Vzorky byly charakterizovány RTG difrakcí a elektronovou spektroskopií pro chemickou analýzu. Elektronická struktura vzorků byla měřena mikroskopem k-prostoru pomocí ekvienergetických řezů skrze první Brillouinovu zónu (BZ). Obrázky byly pořízeny v intervalu vazebné energie (+1, -2) eV. Elektronické stavy v okolí zakázaného pásu s ohledem na polohu Fermiho okraje v objemu byly teoreticky mapovány za použití ab initio VASP kódu. Výpočty byly provedeny zahrnutím relaxace, spin-orbitální interakce a s dopujícími atomy v substitučních (Bi) nebo intersticiálních polohách