Forschungsbericht 2015 - Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe

Den elektrischen Eigenschaften topologischer Isolatoren auf der Spur

Autoren
Höfer, Katharina; Becker, Christoph; Rata, Diana; Swanson, Jesse; Thalmeier, Peter; Tjeng, Liu Hao
Abteilungen
Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe, Dresden
Zusammenfassung
Mit der Entdeckung der topologischen Isolatoren wurden neue Wege zur Erzeugung einzigartiger Quantenteilchen eröffnet. Theoretiker haben viele spannende Experimente vorgeschlagen. Deren experimentelle Prüfung steht allerdings noch aus, ganz zu schweigen von Anwendungen. Das Haupthindernis ist die zusätzliche Leitfähigkeit, bedingt durch unvermeidbare Kristalldefekte sowie die Verunreinigung der Oberflächen. Für dünne Schichten von Bi2Te3 ist jedoch die nötige Qualität erreichbar, wenn die Herstellung und besonders die gesamte Charakterisierung im Ultrahochvakuum stattfinden.

Topologische Isolatoren (TI) stellen eine neuartige Materialgruppe dar, deren Inneres isolierend ist, die Oberfläche jedoch elektrische Leitfähigkeit entwickelt. Die Existenz dieser Materialeigenschaften wurde vor ca. 10 Jahren durch C. L. Kane [1] und S. C. Zhang [2] theoretisch vorhergesagt und konnte kurze Zeit später experimentell bestätigt werden [3, 4].

Nun sollte man sich tatsächlich diese Oberflächenzustände nicht einfach vorstellen wie eine extrem dünne Schicht eines Leiters, aufgebracht auf einen Isolator. Vielmehr wird aufgrund von Symmetrie und Quanteneffekten im Inneren (engl. Bulk) des Isolators die metallisch leitende Oberfläche erst hervorgerufen. Diese erzwungene Metallizität der Oberfläche ist daher topologisch geschützt (topological protected) und durch besondere Eigenschaften ausgezeichnet. Mögliche Anwendungen wären z. B. hoch-effiziente Speichermedien in der Spintronik oder die Realisierung von Quantencomputern. In der Spintronik nutzt man den Spin der Elektronen aus, welcher, neben der Ladung, einen zusätzlichen Freiheitsgrad zur Informationsübertragung zur Verfügung stellt. Um diesen Effekt nutzen zu können, müssen Materialien gefunden werden, in denen spinpolarisierte Ströme erzeugt werden können. Durch Auswirkung der Spin-Bahn-Kopplung weisen die Oberflächenströme in TI bereits eine solche Spinpolarisation auf. Man kann sich dies bildlich wie auf einer Autobahn vorstellen: Alle Elektronen, die in eine Richtung fließen, haben spin-up, während die Elektronen der entgegengesetzten Richtung spin-down aufweisen. Infolgedessen wird auch die Streuung der Elektronen stark verringert, Rückstreuung wird sogar vollkommen unterdrückt. Daher ist der Stromtransport in TI weniger verlustbehaftet und effizienter als in konventionellen Metallen.

Hürden auf dem Weg zur Anwendung

Aussichtsreiche Materialien zur Nutzung der besonderen Eigenschaften der TI sind unter anderem binäre Verbindungen mit Bismut, sogenannte Chalkogenide wie z.B. Bi2Te3, Bi2Se3 oder auch Sb2Te3 [5]. In verschiedenen weiteren Materialien werden ebenfalls topologische Oberflächenzustände vorhergesagt [6] und konnten in einigen bereits bestätigt werden. Zum Nachweis der topologischen Oberflächenzustände wird oft die winkelaufgelöste Photoelektron-Spektroskopie (ARPES) genutzt, eine Methode zur Sichtbarmachung der Bandstrukturen im Bereich der Fermi-Energie. Gleichzeitig zeigt ARPES aber auch direkt die Probleme aktueller TI auf, welche grundlegende Charakterisierungen und somit Anwendungen behindern: das Innere der Proben ist kein Isolator. Vielmehr beobachtet man eine Verlagerung des Fermi-Niveaus aus der Bandlücke heraus in das Leitungsband [4] oder aber auch, wie im Fall von Sb2Te3, in das Valenzband. Dies ist hervorgerufen durch Defekte und Fehlstellen im Material, zumeist ein Defizit von Te oder Se. Besonders zur elektrischen Charakterisierung, z. B. bei Widerstandsmessungen ist es unabdingbar, dass es sich um einen Bulk-Isolator handelt. Ist dies nicht der Fall, werden die speziellen Eigenschaften der topologischen Oberflächenzustände durch zusätzliche Ladungsträger verschleiert. Ein weiteres Problem ist die Kontaminierung der Probenoberfläche an Luft. Hierbei wird durch sog. Bandverbiegungen ebenfalls das Bulk-Leitungsband mit Elektronen besetzt [7, 8]. Dies ist besonders problematisch bei der Bestimmung des Widerstandsverhaltens, da die Proben üblicherweise zur Anbringung von Kontakten an Luft gebracht werden müssen.

Verbesserung der Probenqualität

Ziel der Forschung ist daher neben der Verbesserung der Probenqualität auch die Verhinderung der Kontaminierung der Oberfläche. Die Herausforderung liegt hierbei in der recht geringen Ladungsträgerkonzentration der TI von nur etwa 1012 Elektronen pro cm2. Dieser Wert mag hoch erscheinen, entspricht jedoch nur ca. 1% der kristallographisch möglichen Elektronen auf der Oberfläche. Deshalb sind bereits Defekte weniger Millionstel im Bulk oder Verunreinigungen auf weniger als 1% der Oberfläche ausreichend, um den Effekt der topologischen Oberflächenzustände zu verbergen.

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Original 1508157694
Abb. 1: Links: Kristallstruktur von Bi2Te3. Die charakteristische Größe von einem Quintupel Layer (QL ≈1nm) bezeichnet die Stapelfolge von 5 Lagen, beginnend und endend mit Te. Untereinander sind die QL nur schwach durch van-der-Waals Kräfte gebunden. Rechts: Dünnschichtprobe im Ultrahochvakuum. Der nur wenige Nanometer dünne Bi2Te3 Film wurde auf einem isolierenden BaF2 Substrat als Träger abgeschieden. Die spiegelnde Oberfläche des schwarz glänzenden Bereiches ist die eigentliche Probe.
Abb. 1: Links: Kristallstruktur von Bi2Te3. Die charakteristische Größe von einem Quintupel Layer (QL ≈1nm) bezeichnet die Stapelfolge von 5 Lagen, beginnend und endend mit Te. Untereinander sind die QL nur schwach durch van-der-Waals Kräfte gebunden. Rechts: Dünnschichtprobe im Ultrahochvakuum. Der nur wenige Nanometer dünne Bi2Te3 Film wurde auf einem isolierenden BaF2 Substrat als Träger abgeschieden. Die spiegelnde Oberfläche des schwarz glänzenden Bereiches ist die eigentliche Probe.

Zu diesem Zweck wurde am Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe (CPfS) in Dresden eine Anlage aufgebaut, welche es erlaubt die Probenherstellung sowie vielfältige Charakterisierungen der topologischen Oberflächenzustände in-situ unter Ultrahochvakuum-Bedingungen durchzuführen [8]. Hierbei kann eine Kontaminierung der Proben ausgeschlossen werden und somit verlässliche Messergebnisse erzielt werden. Als Materialsystem wurde Bi2Te3 gewählt, welches mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE, molecular beam epitaxy) in Form von wenigen Nanometer dünnen Schichten abgeschieden wird. Abbildung 1 zeigt die Kristallstruktur von Bi2Te3. Die charakteristische Größe ist ein Quintupel Layer (QL), eine sich wiederholende Stapelfolge von Te-Bi-Te-Bi-Te Schichten mit ca. 1 nm Höhe. Die QL sind untereinander nur schwach, durch sogenannte van-der-Waals-Kräfte, gebunden.

Vielversprechend bei der Untersuchung der Oberflächeneffekte sind dünne Schichten aufgrund ihres erhöhten Oberflächen-zu-Bulk-Verhältnisses. Auch basieren alle heutigen elektronischen Bauteile auf Dünnschichttechnologie. Der Vorteil von MBE liegt hierbei in der präzisen Kontrolle und Reproduzierbarkeit der Prozessparameter. Als Trägermaterial für dünne Schichten werden Substrate mit angepassten Gitterparametern verwendet; hier hoch-isolierendes BaF2(111). Dieses ist mit <0,1% Fehlanpassung nahezu perfekt auf Bi2Te3 abgestimmt.

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Abb. 2: Winkelaufgelöste Photoemissions-Spektren (ARPES) einer Bi2Te3 Probe. Die Aufnahmen zeigen die elektronische Struktur des Films für verschiedene Kristallrichtungen (Winkel), entlang der Radien ist dabei die Bindungsenergie der Elektronen aufgetragen. Die für topologische Isolatoren charakteristischen linearen, kegelförmigen Bänder der Oberflächenzustände nahe der Fermi-Energie (gelbe Linie) beweisen den isolierenden Charakter des Probeninneren. Die sich wiederholende, asymmetrische Struktur des Valenzbandes bei 0°, 120° und 240° ist ein Indiz für Eindomänenwachstum der hochqualitativen Filme.
Abb. 2: Winkelaufgelöste Photoemissions-Spektren (ARPES) einer Bi2Te3 Probe. Die Aufnahmen zeigen die elektronische Struktur des Films für verschiedene Kristallrichtungen (Winkel), entlang der Radien ist dabei die Bindungsenergie der Elektronen aufgetragen. Die für topologische Isolatoren charakteristischen linearen, kegelförmigen Bänder der Oberflächenzustände nahe der Fermi-Energie (gelbe Linie) beweisen den isolierenden Charakter des Probeninneren. Die sich wiederholende, asymmetrische Struktur des Valenzbandes bei 0°, 120° und 240° ist ein Indiz für Eindomänenwachstum der hochqualitativen Filme.

Die Anwendung des sogenannten MBE-Destillationsprozesses gewährleistet die Unterdrückung von Defekten und Tellur-Leerstellen: bei diesem wird wesentlich mehr Tellur als stöchiometrisch nötig verdampft. Die Substrattemperatur muss hoch genug gewählt werden, sodass überschüssiges Tellur, welches keine chemische Bindung mit Bismut eingeht, wieder abgedampft wird. ARPES Spektren belegen das bulk-isolierende Verhalten der Filme (Abb. 2), nur die charakteristischen linearen, kegelförmigen Bänder der topologischen Oberflächenzustände kreuzen das Fermi-Niveau.

ARPES Spektren entlang verschiedener Kristallrichtungen (Abb. 3) belegen eine gleichgerichtete Anordnung der gesamten Kristallstruktur, sog. Eindomänenwachstum, ein Indiz für die hohe Qualität der Proben. Die sich wiederholende Struktur des asymmetrischen Valenzbandes bei 0°, 120° und 240°, welche gespiegelt ist zu denen bei 60°, 180° und 300°, veranschaulicht die vorliegende 3-fach Symmetrie. Röntgendiffraktometrische Messungen (XRD) bestätigen das Eindomänenwachstum.

Messung des Widerstands unter hoch-reinen Bedingungen

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Original 1508157695
Abb. 3: In-situ Transporteigenschaften der Bi2Te3 Filme. A: Temperaturabhängigkeit des Flächenwiderstandes für Schichtdicken von 10 bis 50 QL. Die nur leicht voneinander abweichenden Einkühl- (blau) und Aufwärmkurven (rot) demonstrieren die Stabilität der Proben während des Temperaturzyklus. Lineare Strom-Spannungs-Beziehungen belegen Ohm´sches Verhalten im gesamten Temperaturbereich. B: Die geringe Variation des Widerstandes mit der Schichtdicke von Faktor 1,3 bei 14 K (blau) bzw. 1,5 bei Raumtemperatur (rot) beweist, dass der Stromtransport hauptsächlich durch die topologischen Oberflächenzustände getragen wird. C: Aus den entsprechenden ARPES Spektren bestimmte Ladungsträgerkonzentrationen (grüne Dreiecke) und resultierende Beweglichkeitswerte der Elektronen bei 14 K (blaue Punkte) und Raumtemperatur (rote Punkte).
Abb. 3: In-situ Transporteigenschaften der Bi2Te3 Filme. A: Temperaturabhängigkeit des Flächenwiderstandes für Schichtdicken von 10 bis 50 QL. Die nur leicht voneinander abweichenden Einkühl- (blau) und Aufwärmkurven (rot) demonstrieren die Stabilität der Proben während des Temperaturzyklus. Lineare Strom-Spannungs-Beziehungen belegen Ohm´sches Verhalten im gesamten Temperaturbereich. B: Die geringe Variation des Widerstandes mit der Schichtdicke von Faktor 1,3 bei 14 K (blau) bzw. 1,5 bei Raumtemperatur (rot) beweist, dass der Stromtransport hauptsächlich durch die topologischen Oberflächenzustände getragen wird. C: Aus den entsprechenden ARPES Spektren bestimmte Ladungsträgerkonzentrationen (grüne Dreiecke) und resultierende Beweglichkeitswerte der Elektronen bei 14 K (blaue Punkte) und Raumtemperatur (rote Punkte).

Der große Vorteil der am MPI-CPfS aufgebauten Anlage liegt in der Möglichkeit der Messung von ARPES sowie des Widerstandes an ein und denselben Proben unter gleichbleibenden Bedingungen. Nur so kann die Integrität der topologischen Oberflächenzustände sichergestellt werden. Die elektrische in-situ Kontaktierung der Proben erfolgt durch einen nichtpermanenten Federkontaktmechanismus. Die Strom-Spannungs-Kennlinien eines Bi2Te3 Films bei verschiedenen Temperaturen sind im Inset von Abbildung 3A dargestellt. Der lineare Zusammenhang kennzeichnet Ohm’sches Verhalten der Kontakte, welches wichtig für die Verlässlichkeit der Messergebnisse ist und die gute Qualität der so hergestellten Kontakte widerspiegelt.

Zur Bestätigung, dass die Leitfähigkeit der Proben durch Ladungen der topologischen Oberflächenzustände hervorgerufen ist, wurden Proben verschiedener Schichtdicken (10, 15, 20, 30 und 50 QL) vermessen. Abbildung 3A zeigt den temperaturabhängigen Verlauf des Flächenwiderstandes dieser Proben. Metallisches Verhalten, d. h. die kontinuierliche Abnahme des Widerstandes mit sinkender Temperatur, ist deutlich über dem gesamten Temperaturbereich erkennbar. Nur marginale Abweichungen zwischen der Kühlkurve (blau) und der Aufwärmkurve (rot) belegen, dass der Temperaturzyklus die Filmeigenschaften nicht verändert; ARPES Messungen bestätigten dies. In normalen Metallen würde der Widerstand indirekt proportional mit wachsender Schichtdicke abnehmen. Dieses Verhalten wird hier nicht beobachtet. Die geringe Variation der Widerstandswerte – Faktor 1,3 bei 14 K bzw. 1,5 bei Raumtemperatur (Abb. 3B) – beweist, dass die gemessene Leitfähigkeit hauptsächlich den Oberflächenzuständen zugeordnet werden kann. Jedoch demonstriert diese Variation auch nach wie vor das Vorhandensein einer geringen Defektkonzentration. Die für TI erwarteten Ladungsträgerkonzentrationen von nur wenigen 1012 Elektronen pro cm2 und gleichzeitig sehr hohe Mobilitätswerte von bis zu 4.500 cm2/Vs wurden beobachtet (Abb. 3C). All diese Eigenschaften begünstigen geringe Verluste beim Stromtransport in der Elektronik.

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Abb. 4: Auswirkung von Luftexposition auf die Probeneigenschaften. Bereits 5 Minuten sorgen für eine irreversible Anhebung des Fermi-Niveaus an den Rand des Leitungsbandes (B). Die Folge der zusätzlichen, nicht topologisch geschützten, Ladungsträger ist im reduzierten Widerstand klar erkennbar (A).
Abb. 4: Auswirkung von Luftexposition auf die Probeneigenschaften. Bereits 5 Minuten sorgen für eine irreversible Anhebung des Fermi-Niveaus an den Rand des Leitungsbandes (B). Die Folge der zusätzlichen, nicht topologisch geschützten, Ladungsträger ist im reduzierten Widerstand klar erkennbar (A).

Abbildung 4 zeigt eindrucksvoll die extreme Empfindlichkeit der TI gegenüber Kontaminationen. Trotz der anschließenden Messung im Ultrahochvakuum sind bereits nach 5 Minuten Luftexposition irreversible Veränderungen der Bandstruktur ersichtlich. Die zusätzlichen, nicht topologisch geschützten, Ladungsträger bewirken eine Verringerung des Widerstandes um ca. 200 Ω, gleichzeitig wird aber auch deren Beweglichkeit vermindert. Man kann sich daher vorstellen, welche Auswirkungen längerfristige Luftexposition auf die Verlässlichkeit der gemessenen Widerstandswerte hat.

Ausblick

Die von den Physikern am MPI CPfS gewonnen Resultate liefern eindeutige Beweise für die herausragende Qualität der Bi2Te3 Filme, deren Leitfähigkeit hauptsächlich durch topologisch geschützte Oberflächenzustände getragen wird. Somit wird ein prinzipiell gangbarer Weg für die Weiterentwicklung dieser Materialklasse aufgezeigt. Für zukünftige Anwendungen bleibt die Aufgabe geeignete schützende Deckschichten ausfindig zu machen, welche die Oberflächenzustände und damit die einzigartigen topologischen Eigenschaften nicht beeinflussen. Für die Grundlagenforschung sind ebenfalls Mehrschichtsysteme mit z. B. Supraleitern interessant, da an deren Grenzflächen die Existenz neuer Quantenteilchen, sogenannte Majorana-Fermionen [9], vorhergesagt wird.

Literaturhinweise

1.
Kane, C. L.; Mele, E. J.
Z2 Topological Order and the Quantum Spin Hall Effect
Physical Review Letters 95, 146802 (2005)
DOI
2.
Bernevig, B. A; Zhang, S. C.
Quantum Spin Hall Effect
Physical Review Letters 96, 106802 (2006)
DOI
3.
König, M.; Wiedmann, S.; Brüne, C.; Roth, A.; Buhmann, H.; Molenkamp, L. W.; Qi, X. L.; Zhang, S. C.
Quantum Spin Hall Insulator State in HgTe Quantum Wells
Science 318, 766-770 (2007)
DOI
4.
Chen, Y. L.; Analytis, J. G.; Chu, J. H.; Liu, Z. K.; Mo, S. K.; Qi, X. L.; Zhang, H. J.; Lu, D. H.; Dai, X.; Fang, Z.; Zhang, S. C.; Fisher, I. R., Hussain, Z.; Shen, Z. X.
Experimental Realization of a Three-Dimensional Topological Insulator: Bi2Te3
Science 325, 178-181 (2009)
DOI
5.
Zhang, H.; Liu, C. X.; Qi, X. L.; Dai, X.; Fang, Z.; Zhang, S. C.
Topological insulators in Bi2Se3, Bi2Te3 and Sb2Te3 with a single Dirac cone on the surface
Nature Physics 5, 438-442 (2009)
DOI
6.
Yan, B.; Jansen, M.; Felser, C.
A large-energy-gap oxide topological insulator based on the superconductor BaBiO3
Nature Physics 9, 709–711 (2013)
DOI
7.
Benia, H. M.; Lin, C.; Kern, K.; Ast, C. R.
Reactive Chemical Doping of the Bi2Se3 Topological Insulator
Physical Review Letters 107, 177602 (2011)
DOI
8.
Hoefer, K.; Becker, C.; Rata, D.; Swanson, J.; Thalmeier, P.; Tjeng, L. H.
Intrinsic conduction through topological surface states of insulating Bi2Te3 epitaxial thin films
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 111 (42), 14979-14984 (2014)
DOI
9.
Fu, L.; Kane, C. L.
Superconducting Proximity Effect and Majorana Fermions at the Surface of a Topological Insulator
Physical Review Letters 100, 096407 (2008)
DOI
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