Nanoscale four-point charge transport measurements in topological insulator thin films

Leis, Arthur; Voigtländer, Bert; Morgenstern, Markus

doi:HT021061146

Nanoscale four-point charge transport measurements in topological insulator thin films = Nanoskalige Vierpunkt-Ladungstransportmessungen in dünnschichtigen topologischen Isolatoren

Leis, Arthur

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Arthur Leis, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Voigtländer, Bert (Thesis advisor) ; Morgenstern, Markus (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-08-23

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-08176
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/825284/files/825284.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ladungstransport (frei) ; Rastertunnelmikroskopie (frei) ; Vierspitzen-Rastertunnelmikroskopie (frei) ; charge transport (frei) ; dünne Schichten (frei) ; four-tip scanning tunneling microscopy (frei) ; scanning tunneling microscopy (frei) ; thin films (frei) ; topological edge states (frei) ; topological insulators (frei) ; topological surface states (frei) ; topologische Isolatoren (frei) ; topologische Oberflächenzustände (frei) ; topologische Randzustände (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Materialien für topologische Isolatoren (TI) erwecken mit ihren exotischen elektronischen Eigenschaften ein wachsendes Interesse als vielversprechendes System für neuartige Anwendungen im Bereich der modernen Festkörperphysik. In diesem Werk wird die Messung und die Interpretation charakteristischer Ladungstransporteigenschaften in dünnen Filmen topologischer Isolatoren auf der Nanometer-Skala präsentiert. Durch den Einsatz eines Multispitzen-Rastertunnelmikroskops ist es möglich, positionsabhängige elektrische Messungen auf der Oberfläche der Proben durchzuführen. Dabei wird die vielseitige Einsetzbarkeit der einzelnen Spitzen ausgenutzt, um Widerstandsmessungen in spezifischen Konfigurationen bis hin zur Nanometer-Skala umzusetzen. Kapitel 2 stellt eine Einleitung in das Funktionsprinzip des Instruments und in die Technik des positionsabhängigen Widerstands dar. Dabei wird der fundamentale Zusammenhang zwischen dem gemessenen Widerstand und der zugrundeliegenden Leitfähigkeit des Systems hergeleitet. Des Weiteren wird die dargelegte Technik und ihre experimentellen Möglichkeiten am Beispiel einer SrTiO3 Probe vorgeführt. In Kapitel 3 wird eine weiterentwickelte Positionierungsmethode, basierend auf Rastertunnelmikroskop-Aufnahmen, präsentiert. Durch diese Methode ist es möglich, Vierpunkt-Messkonfigurationen mit beträchtlicher räumlicher Auflösung auf der Nanometer-Skala zu realisieren. Kapitel 4 bietet eine Einführung in die Materialklasse der topologischen Isolatoren mit Hinblick auf den Ursprung der zugehörigen charakteristischen Eigenschaften. In den Kapiteln 5 – 7 werden, ermöglicht durch die demonstrierte Positionierungsmethode, Messungen des Vierpunktwiderstands dünner Filme des starken topologischen Isolators (Bi1-xSbx)2Te3 auf der Nanoskala präsentiert. Kapitel 5 befasst sich mit der elektrischen Detektion der intrinsischen Spinpolarisation der Oberflächenzustände eines topologischen Isolators. In diesem Zusammenhang wird eine ferromagnetische Spitze benutzt, um das spin-abhängige elektrochemische Potential der Ladungsträger im Transport zu erlangen. Kapitel 6 und 7 behandeln den topologischen Phasenübergang eines dünnen 3D TI Films in ein Quanten-Spin-Hall (QSH) System durch die Reduktion der Schichtdicke. In Kapitel 6 wird die notwendige Bedingung eines solchen Phasenübergangs – die Wechselwirkung der topologischen Oberflächenzustände auf den beiden Grenzflächen des Films – elektrisch untersucht. Kapitel 7 präsentiert ein Messverfahren für helikale Randzustände, deren Existenz die hinreichende Bedingung für das Entstehen einer QSH Phase ist. Obwohl im untersuchten (Bi0.16Sb0.84)2Te3 System keine QSH Phase beobachtet wird, stellt die vorgeführte Methode ein allgemeines Mittel zur Identifikation topologischer Phasen dar.

Topological insulator (TI) materials, with their exotic electronic properties, cause a growing interest in modern solid state physics as promising systems for novel applications. This work presents the measurement and the analysis of characteristic transport properties of topological insulator films on the nanometer scale. The use of a multi-tip scanning tunneling microscope (STM) allows for position-dependent electrical measurements on the surface of the samples. For this purpose, the high degree of versatility of the individual tips is exploited to realize resistance measurements in dedicated configurations, even at the nanoscale. Chapter 2 presents an introduction into the operation principle of the instrument and the position-dependent four-point measurement technique. The fundamental relation between the measured resistance and the conductivity of the underlying system is derived. Furthermore, the outlined technique and its experimental capabilities are demonstrated on the example of a SrTiO3 sample, which allows to comprehend the influence of dimensionality on the resistance. In chapter 3, a more sophisticated method of tip positioning based on overlaps of STM scans is presented. Using this method, it is possible to realize four-point measurement configurations on the nanoscale with considerable spatial precision. Chapter 4 provides an introduction into the material class of topological insulators, focusing on the origin of the associated characteristic properties. In chapters 5 – 7, nanoscale four-point resistance measurements on thin films of the strong topological insulator (Bi1-xSbx)2Te3, enabled by the demonstrated positioning technique, are presented. Chapter 5 is focused on the electrical detection of the intrinsic spin polarization of the surface states of a TI. For this purpose, a ferromagnetic STM tip is used to extract the spin-dependent electrochemical potential of carriers during charge transport. Chapters 6 and 7 are dedicated to the topological phase transition of a 3D TI thin film into a quantum spin Hall (QSH) insulator system with reduced film thickness. In chapter 6, the necessary condition for such a phase transition, namely the interaction of the topological surface states on the two interfaces of the thin film, is studied by means of charge transport. Chapter 7 presents a measurement scheme for helical edge states, which are the sufficient condition for the formation of a QSH phase. While a QSH phase is not observed in the investigated (Bi0.16Sb0.84)2Te3 system, the demonstrated technique provides a generic method for the detection of topological phases in transport.

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