MBE成長BiTe薄膜の特性に及ぼすユーロピウム添加の影響

Europium Doping Impact on the Properties of MBE Grown BiTe Thin Film.

• Katarzyna Balin
• Marcin Wojtyniak
• Mateusz Weis
• Maciej Zubko
• Bartosz Wilk
• Ruizhe Gu
• Pascal Ruello
• Jacek Szade

抄録

本論文では、トポロジカル絶縁体BiTeの電子・構造特性に及ぼすユーロピウム添加の影響を調べた。電子回折及び透過型顕微鏡による結晶構造の研究から、ユーロピウム含有率約3%の分子線エピタキシー(MBE)法で成長させた膜は、比較的大きな単結晶粒を持つ三角構造であることが確認された。X線光電子分光法は、BiTeマトリックス中のユーロピウムが2価のままで、BiTeマトリックス中のビスマスを置換していることを示している。Euドープ膜では、光電子4d多重項成分の例外的な割合が観測された。しかし、ナノメートルスケールでの空間的な不均一性が明らかになった。第一に、局所的な導電率測定により、表面の導電率が不均一であることが示され、表面の導電状態と絶縁性領域が共存している可能性があることを明らかにする地形画像と相関があることが示された。第二に、飛行時間型二次イオン質量分析装置(TOF-SIMS)による深さ方向のプロファイリングでも、部分的な化学的偏析が示された。このような深い不均一性は、フェムト秒分光法で評価される格子ダイナミクス(フォノン寿命)に影響を与えます。この前例のない一連の実験的研究は、BiTeトポロジカル絶縁体の高品質Euドープ薄膜の成長プロセスを最適化するための重要な洞察を提供する。ナノスケールレベルでのこのような複雑な挙動を理解することは、革新的なデバイスの構成要素としてトポロジカル絶縁体薄膜を検討する前に必要なステップである。

The impact of europium doping on the electronic and structural properties of the topological insulator BiTe is studied in this paper. The crystallographic structure studied by electron diffraction and transmission microscopy confirms that grown by Molecular Beam Epitaxy (MBE) system film with the Eu content of about 3% has a trigonal structure with relatively large monocrystalline grains. The X-ray photoemission spectroscopy indicates that europium in BiTe matrix remains divalent and substitutes bismuth in a BiTe matrix. An exceptional ratio of the photoemission 4d multiplet components in Eu doped film was observed. However, some spatial inhomogeneity at the nanometer scale is revealed. Firstly, local conductivity measurements indicate that the surface conductivity is inhomogeneous and is correlated with a topographic image revealing possible coexistence of conducting surface states with insulating regions. Secondly, Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (TOF-SIMS) depth-profiling also shows partial chemical segregation. Such in-depth inhomogeneity has an impact on the lattice dynamics (phonon lifetime) evaluated by femtosecond spectroscopy. This unprecedented set of experimental investigations provides important insights for optimizing the process of growth of high-quality Eu-doped thin films of a BiTe topological insulator. Understanding such complex behaviors at the nanoscale level is a necessary step before considering topological insulator thin films as a component of innovative devices.