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Electrical transport and magnetoresistance in MBE-grown 3D topological insulator thin films and nanostructures = Elektrischer Transport und Magnetowiderstand in MBE-gewachsenen 3D topologischen Isolator Dünnschichten und Nanostrukturen
2019 & 2020
Dissertation, RWTH Aachen University, 2019
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-01-14
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-12205
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/775402/files/775402.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
electron interference (frei) ; low temperature transport (frei) ; magnetotransport (frei) ; nanotechnology (frei) ; phase coherent transport (frei) ; thin film technology (frei) ; topological insulator (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
Kurzfassung
Schwerpunkt dieser Arbeit sind die 3D topologischen Isolatoren Bismuttellurid (Bi2Te3) und Antimontellurid (Sb2Te3), die seit mehreren Jahrzehnten als Isolatoren mit kleiner Bandlücke (etwa 150 meV) und für ihre thermoelektrischen Eigenschaften bekannt sind. Seitdem sie sich als topologische Isolatoren erwiesen haben, hat das wissenschaftliche Interesse an der Suche nach topologisch geschützten Oberflächenzuständen zugenommen und die elektronischen Eigenschaften dieser Zustände wurden mit Hilfe der winkelaufgelösten Photoemissionsspektroskopie umfassend untersucht. Diese Messungen bestätigten die Existenz von metallischen Zuständen innerhalb der Bandlücke mit nahezu linearen Dispersionsbeziehungen und einem Dirac-Punkt. Außerdem haben die mittels Rastertunnelmikroskopie gemessenen magnetoelektrischen Eigenschaften der Oberflächen gezeigt, dass die geschützten Oberflächenzustände in dünnen Sb2Te3-Filmen weniger empfindlich auf intrinsische Defekte reagieren. Dies verspricht Ladungsträger mit einer hohen Mobilität an der Oberfläche dieser Materialien. Alle oben genannten Eigenschaften sind jedoch ausschließlich auf die topologisch geschützten Oberflächenzustände beschränkt und erfordern daher eine Isolierung des Bulks, um diese Effekte im elektrischen Transport beobachten zu können. Andernfalls werden sie durch den Strom durch das Volumen überdeckt. Dies hat sich als eine schwierige Aufgabe erwiesen, da alle binären Materialien dazu neigen, durch die Bildung von Kristalldefekten während des Wachstums intrinsisch dotiert zu werden. Daher konzentrieren sich die Anstrengungen auf die Kontrolle der Probenherstellung, Kompensationsdotierung oder der Legierung von intrinsischen Chalkogeniden, um das Fermi-Niveau in die Bandlücke und näher an den Dirac-Punkt der Oberflächenenergiespektren zu verschieben. In dieser Arbeit analysieren wir dünne Filme, die durch Molekularstrahlepitaxie auf Si(111)-Substraten gewachsen wurden. Zunächst werden die binären Materialien hinsichtlich Kristallstruktur, Wachstumsparametern, elektronischer Struktur und Elementverteilung durch Untersuchungen mittels Transmissionselektronenspektroskopie, winkelaufgelöster Photoemissionsspektroskopie und Atomsonden-Tomographie vorgestellt. Dies veranschaulicht die intrinsische Dotierung von Bi2Te3 und Sb2Te3 sowie das Auftreten unterschiedlicher Kristalldomänen aufgrund des Wachstumsmechanismus der Schichtfilme. Wir vergleichen auch Filme, die auf 100 mm Wafern gewachsen wurden, mit Proben von selektiv gewachsenen Filmen auf vorstrukturierten Substraten. Diese Proben sind Vorstufen der Nanostrukturen, die im letzten Kapitel besprochen werden. Als nächstes werden zwei verschiedene Ansätze zur Manipulierung des Fermi-Niveaus vorgestellt. Genauer werden (Bi{1-x}Sb{x})}2Te3-Filme mit unterschiedlichen Zusammensetzungen x, gemessen mittels Raman-Spektroskopie, sowie Heterostrukturen mit zunehmender Sb2Te3-Dicke auf einer Bi2Te3-Schicht konstanter Höhe untersucht. In beiden Fällen wird der Übergang zwischen entgegengesetzten Dotierungen in der winkelaufgelösten Photoemissionsspektroskopie sichtbar. Anschließend werden die Methoden der Probenpräparation vorgestellt. Darunter zwei verschiedene Ansätze zur Präparation von Nanostrukturen durch selektives Flächenwachstum. Das letzte Kapitel gliedert sich in zwei Hauptteile. Der erste Teil beginnt mit einer Zusammenfassung unserer Messungen und Charakterisierungen von Bi2Te3- und Sb2Te3-Filmen hinsichtlich ihrer Transporteigenschaften wie Dotierung, Mobilität und Parameter des phasenkohärenten Transports. Diese Parameter extrahieren wir auch aus den (Bi{1-x}Sb{x})}2Te3-Filmen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Sb2Te3/Bi2Te3-Heterostrukturen mit unterschiedlichen Schichtdicken. Wir suchen nach Hinweisen auf topologisch geschützte Oberflächenzustände in magnetfeldfeldabhängigen Messungen bei niedrigen Temperaturen und analysieren den Einfluss elektrischer Gates. Der zweite Teil enthält die Ergebnisse von Messungen an Bi2Te3-Nanostrukturen. Wir stellen Nanoribbons vor, die mit den beiden unterschiedlichen Ansätzen für selektives Flächenwachstum hergestellt wurden und zeigen ihre jeweiligen Eigenheiten. Dann vergleichen wir Transportparameter, welche anhand von breiteren Ribbons gemessen wurden, mit denen der Filme aus dem vorherigen Teil. Als nächstes werden Nanodots untersucht, um Transportanisotropien hinsichtlich der Kristallorientierung zu überprüfen. In beiden Fällen analysieren wir auch die entsprechenden Magnetowiderstandsmessungen auf Effekte des phasenkohärenten Transports und Einflüsse der Oberflächenzustände. Abschließend demonstrieren wir erste Versuche an "schwebenden" Bi2Te3-Filmen.The main focus of this thesis are the 3D topological insulators bismuth telluride (Bi2Te3) and antimony telluride (Sb2Te3), which have been known for several decades as narrow band gap insulators (about 150 meV) and for their thermoelectric properties. Since they were found to be topological insulators, scientific interest in the search for topologically protected surface states has increased and the electronic properties of these states have been studied widely using angle-resolved photoemission spectroscopy. These measurements confirmed the presence of metallic states within the band gap with almost linear dispersion relations and a Dirac point. Also, surface magneto-electric properties measured by scanning tunnelling microscopy have shown that the protected surface states in Sb2Te3 thin films are less sensitive to intrinsic defects. This promises charge carriers with a high mobility at the surface of these materials. However, all properties mentioned above are solely restricted to the topological protected surface states and thus require the bulk to be insulating in order to observe these effects in electrical transport. Otherwise they will be masked by the bulk conductance. This has proven to be a difficult task, since all the binary materials tend to be intrinsically doped due to the formation of crystal defects during growth. Therefore, the effort has concentrated on controlling the sample fabrication, carrier compensation doping, or alloying of intrinsic chalcogenide materials, in order to shift the Fermi level into the energy bandgap and closer to the Dirac zero gap point of the surface energy spectra. In this work, we analyze thin films grown by molecular beam epitaxy on Si(111)-substrates. First, the binary materials are introduced in terms of crystal structure, growth parameters, electronic structure and elemental distribution via investigations done by transmission electron spectroscopy, angle-resolved photoemission spectroscopy and atom probe tomography. This illustrates the intrinsic doping of Bi2Te3 and Sb2Te3 and the presence of different crystal domains due to the growth mechanism of the layered films. We also compare films grown on 100 mm wafers with samples of selectively grown films on pre-patterned substrates. These samples are precursors to the nanostructures that will be discussed in the last chapter. Next, two different approaches to engineer the Fermi level are presented. Films of (Bi{1-x}Sb{x})}2Te3 with different compositions x, measured by Raman spectroscopy, and heterostructures with increasing Sb2Te3 thicknesses on top of a Bi2Te3 layer with fixed height are investigated. Both reveal a transition between opposite types of doping in angle-resolved photoemission spectroscopy. After this, the methods of sample preparation are presented, including two different approaches for preparing nanostructures using selective area growth. The last chapter is divided into two main parts. The first part begins by summarizing our measurements and characterizations of Bi2Te3 and Sb2Te3 films with regards to their transport properties like doping, mobility and parameters of phase coherent transport. We also extract these parameters from (Bi{1-x}Sb{x})}2Te3 with different compositions and the Sb2Te3/Bi2Te3 heterostructures with varying layer thicknesses. We search for hints of topologically protected surface states in field dependent measurements at low temperatures and analyse the influence of electrical gates. The second part contains the results from measurements on Bi2Te3 nanostructures. We present nanoribbons prepared by the two different approaches for selective area growth, show their respective idiosyncrasies and compare transport parameters obtained from wider ribbons with those from the films in the previous part. Next, nanodots are investigated to check for transport anisotropies with regards to the crystalorientation. In both cases we also analyse the corresponding magnetoresistance measurements for effects of phase coherent transport and influences of the surface states. Finally, we demonstrate our first attempts on suspended films of Bi2Te3.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020327632
Interne Identnummern
RWTH-2019-12205
Datensatz-ID: 775402
Beteiligte Länder
Germany
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