1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 83, № 7, 2019

Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 7, стр. 921-923

Размерный эффект в электропроводимости тонких пленок топологического изолятора Bi2Se3

В. В. Чистяков 1, А. Н. Доможирова 1, Дж. Ч. Э. Хуанг 2, В. В. Марченков 1, 3, *

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук
Екатеринбург, Россия

2 Национальный университет Ченг Кунга
Тайнань, Тайвань

3 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования “Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина”
Екатеринбург, Россия

* E-mail: march@imp.uran.ru

Поступила в редакцию 07.09.2018
После доработки 31.01.2019
Принята к публикации 27.03.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Измерено электросопротивление тонких пленок топологического изолятора (ТИ) Bi2Se3 толщиной от 10 до 75 нм в интервале температур от 4.2 до 300 K. Обнаружен размерный эффект в электропроводимости пленок Bi2Se3, т.е. линейная зависимость проводимости пленки от ее обратной толщины. Высказано предположение, что подобный эффект может наблюдаться в других ТИ и системах с неоднородным распределением тока по сечению образца.

ВВЕДЕНИЕ

Для устройств спинтроники необходимы новые функциональные материалы с уникальными физическими свойствами. Одним из таких перспективных материалов являются топологические изоляторы (ТИ) [1], которые имеют нетривиальную топологическую зонную структуру, возникающую из-за сильного спин-орбитального взаимодействия [2]. ТИ имеет энергетическую щель в объеме, являясь изолятором или полупроводником, а также топологически защищенные проводящие бесщелевые состояния на своей поверхности. Жесткая связь между направлениями импульса и спином электрона приводит к возникновению спиновой поляризации носителей заряда и возможности спин-поляризованного тока, протекающего вблизи поверхности ТИ практически без потерь [3], что может быть использовано в спинтронных устройствах.

Известно, что соединение Bi2Se3 представляет собой ТИ [4–6]. Поскольку величина проводимости в объеме и вблизи поверхности таких материалов существенно различается, то, во-первых, в них должен наблюдаться “размерный” эффект – зависимость электропроводимости от поперечных размеров образца. Во-вторых, появляется возможность “разделить” проводимости объема и поверхности экспериментально, аналогично проведенному разделению в работе [7], где был исследован размерный эффект в проводимости монокристаллов вольфрама в условиях неоднородного распределения постоянного электрического тока по сечению проводника в магнитном поле. Цель настоящей работы – поиск и изучение размерного эффекта в электропроводимости тонких пленок ТИ Bi2Se3.

ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Тонкие пленки ТИ Bi2Se3 были выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках Al2O3 и имели толщину 10, 20, 30, 40, 50 и 75 нм. Данные рентгено-дифракционного и элементного анализов показали, что синтезированные пленки имеют состав Bi2Se3 (см. [4, 5]). Измерения электросопротивления ρ проводились общепринятым 4-контактным способом на постоянном токе в интервале температур от 4.2 до 300 K. Для удобства интерпретации и обсуждения результаты исследований представлены в единицах проводимости σ, которую определяли, как σ = 1/ρ.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Поскольку в ТИ проводимости в объеме и вблизи поверхности существенно различаются, ТИ может быть представлен в виде системы двух параллельно соединенных проводников: “металлической” поверхности и “полупроводникового” объема (см. также работу [8] и ссылки в ней). Как было показано в [8], проводимость σ такой системы можно представить в виде:

(1)
$\sigma \approx {{\sigma }_{{{\text{п о в }}}}}({\delta \mathord{\left/ {\vphantom {\delta d}} \right. \kern-0em} d}) + {{\sigma }_{{{\text{о б }}}}},$
где σпов – поверхностная проводимость приповерхностного слоя толщиной δ, σоб – проводимость объема. Таким образом, должен наблюдаться размерный эффект: зависимость проводимости σ от обратной толщины пленки d–1, т.е. σ = f(d–1).

На рис. 1 представлены зависимости σ = f(d–1) при 4.2 и 300 K. Видно, что размерный эффект – линейная зависимость проводимости от обратной толщины пленки, наблюдается во всем исследованном интервале температур: от низких температур (рис. 1а) и до комнатной (рис. 1б). Поскольку первый член в (1) пропорционален поверхностной проводимости σпов, а второй – объемная проводимость σоб, то можно “разделить” σпов и σоб (см. также рис. 1б). Учитывая данные работы [9], мы предполагали, что величина δ не превышает значение в 1 нм, соответственно при расчетах σпов использовали значение δ = 1 нм.

Рис. 1.

Зависимость удельной проводимости σ от обратной толщины пленок Bi2Se3: а – Т = 4.2 К; б – Т = = 300 К. На рис. 1б показаны объемная проводимость σоб, которая определяется экстраполяцией линейной зависимости на проводник бесконечной толщины, и поверхностная проводимость σпов, пропорциональная тангенсу угла наклона прямой.

Согласно выполненным оценкам, при T = 4.2 К σоб  ≈ 0.5 · 103 и σпов ≈ 9.8 · 104 См · см–1, а при T = = 300 К σоб ≈ 4.12 · 102 и σпов ≈ 0.97 ⋅ 104 См ⋅ см–1. Это означает, что поверхностная проводимость σпов почти в 200 раз выше, чем σоб при T = 4.2 К и более чем в 20 раз выше при T = 300 К. Соответственно, плотность электрического тока вблизи поверхности пленки на порядки величины (почти в 800 раз для Т = 4.2 К и в 24 раза для Т = 300 К) превышает плотность тока в ее объеме, как и должно быть для ТИ. Полученные результаты хорошо качественно согласуются с [6].

На рис. 2а и рис. 2б показаны температурные зависимости σпов и σоб. Видно, что σпов уменьшается с ростом температуры, т.е. поверхность ведет себя как металл. Это может быть подтверждением наличия металлических проводящих состояний на поверхности ТИ, а σоб увеличивается с ростом температуры, что свойственно для полупроводников.

Рис. 2.

Температурные зависимости поверхностной σпов и объемной σоб проводимостей ТИ Bi2Se3.

ВЫВОДЫ

Обнаружен размерный эффект в электропроводимости тонких пленок ТИ Bi2Se3 в виде линейной зависимости проводимости пленки от ее обратной толщины. Это позволяет “разделить” объемную и поверхностную проводимости при различных температурах. Показано, что проводимость вблизи поверхности пленки Bi2Se3 на порядки величины превышает проводимость в ее объеме. Соответственно, плотность тока вблизи поверхности исследованных пленок на 2 порядка превышает плотность тока в объеме.

По-видимому, подобные эффекты должны наблюдаться и в других ТИ и системах с неоднородным распределением постоянного тока по сечению образца.

Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования России (тема “Спин”, № АААА-А18-118020290104-2) при частичной поддержке РФФИ (проект № 17-52-52008) и Правительства Российской Федерации (постановление № 211, контракт № 02.A03.21.0006).

Список литературы

  1. Zhang H., Liu C.X., Qi X.L. et al. // Nat. Phys. 2009. V. 5. P. 438.

  2. Xu S.Y., Belopolski I., Alidoust N. et al. // Science. 2015. V. 349. P. 6248.

  3. Liu Z.K., Yang L.X., Sun Y. et al. // Nat. Mat. 2016. V. 15. P. 27.

  4. Liu Y.H., Chong C.W., Jheng J.L. et al. // Appl. Phys. Lett. 2015. V. 107. Art. № 012106.

  5. Liu Y., Chong C., Chen W. et al. // Jpn. J. Appl. Phys. 2017. V. 56. Art. № 070311.

  6. Bhattacharyya B., Sharma A., Awana V.P.S. et al. // J. Phys. Cond. Mat. 2017. V. 29. Art. № 115602.

  7. Marchenkov V.V., Weber H.W. // J. Low Temp. Phys. 2003. V. 132. P. 135.

  8. Marchenkov V.V., Chistyakov V.V., Huang J.C.A. et al. // EPJ Web Conf. 2018. V. 185. Art. № 01002.

  9. Qi X.L., Zhang S.C. // Rev. Mod. Phys. 2011. V. 83. P. 1057.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал