Low-dimensional electronic magneto-transport in epitaxial ultra-thin Bi and Bi-Sb alloy films: impurities, structure, confinement and disorder.
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurden ultradünne kristalline Bi(111)- Quantenfilme auf Si(111) generiert, um daran die DC-Leitfähigkeit, Magnetoleitfähigkeit und Halleffekt systematisch als Funktion der Schichtdicke und der Magnetfeldorientierung zu vermessen. Das Ziel war die Bestimmung wesentlicher Mechanismen der Elektronenstreuung in stark spinpolarisierten Quantenfilmen, deren Eigenschaften denen in topologischen Isolatoren (TI) ähneln. Dieser Schluss ergibt sich aus dem direkten Vergleich mit dem TI-Film Bi1−x Sbx im Konzentrationsbereich um x= 0.15. Zusätzlich wurden kleine Konzentrationen (0.3 bis 5% einer Monolage) von Übergangsmetallatomen (Fe,Cr, Co) in diese Filme eingebracht, die materialspezifische, aber auch methodische Tests erlauben. Während Versuche der Erzeugung von quasi-1D Randzuständen in den Bi-filmen durch Wachstum auf gestuften Si-Unterlagen nur bedingt erfolgreich waren, konnten auf ebenen Bi-Quantenfilmen eine Reihe neuer Erkenntnisse gewonnen werden: Diese Filme zeigen sowohl metallische Leitfähigkeit in teilbesetzten Quantenzuständen als auch aktivierten Transport durch Anregung aus voll besetzten in teilbesetzte Zustände. Die strikte Trennung in Volumen und Oberfläche führt zu Widersprüchen. Das DC-Verhalten der TI-filme Bi1−x Sbx stellte sich als qualitativ ähnlich zu den Bi-Filmen heraus, die trotz höherer Defektdichte größere Leitfähigkeiten aufweisen. Für weniger als 15BL bricht die Beschreibung über zwei getrennte Randzustände zusammen. Es konnte keine Anomalie in der DC Leitfähigkeit beim Übergang von TI zum topologisch trivialen Material als Funktion der Sb-Konzentration beobachtet werden. Die systematische Untersuchung der Magnetoleitfähigkeit als Funktion der Schichtdicke und der Richtung des Magnetfeldes zeigt für Magnetfelder senkrecht zur Oberfläche Dominanz von schwacher Antilokalisierung (WAL) im kohärenten Streuanteil. Dabei müssen dünne Schichten (10 - 40 Bilagen) als ein gemeinsames System betrachtet werden, das mit zunehmender Schichtdicke, abhängig von der magnetischen Streulänge, in zwei unabhängige Randkanäle übergeht. Für parallel zur Oberfläche orientiertes B-Feld senkrecht zum Strom erscheint zusätzlich zu WAL und inkohärenter Streuung ein bisher nicht beobachteter kohärenter Streukanal, der ohne Spin-Umklapp auskommt. Er kommt zustande durch Streuung zwischen den Rashba-aufgespaltenen Randzuständen, die an den beiden Grenzflächen entgegengesetzte Spinorientierung haben. Versuche mit Hilfe des magnetischen Dichroismus, die magnetischen Momente von Übergangsmetallatomen als Fremdatomen auf der Bi-Oberfläche zu bestimmen, zeigen, dass sich das magnetische Spinmoment dieser Atome durch den Einbau in die erste Bilage des Bi-films nur wenig ändert, die Bindung aber verantwortlich ist für die hohe magnetische Anisotropie. Starke Depolarisationseffekte besonders bei Cr-Atomen als Funktion der Konzentration können durch die bevorzugte Bildung von Dimeren erklärt werden, was auch mit Anomalien in DC-Leitfähigkeit und spinabhängiger Streuung gut zusammenpasst.
Publications
- Growth of epitaxial Bi-films on vicinal Si(111). Surf. Sci. 621, 82 (2014)
D. Lükermann, S. Banyoudeh, C. Brand, S. Sologub, H. Pfnür, C. Tegenkamp
(See online at https://doi.org/10.1016/j.susc.2013.10.024) - Scattering of charge carriers by Cr impurities in magnetotransport on a Bi(111) ultra-thin film. J. Phys.: Condens. Matter 26, 225002 (2014)
P. Kröger, S. Sologub, C. Tegenkamp, H. Pfnür
(See online at https://doi.org/10.1088/0953-8984/26/22/225002) - Surface state conductivity in epitaxially grown Bi1−x Sbx (111) films New J. Phys. 18, 093012 (2016)
Julian Koch, Philipp Kröger, Herbert Pfnür, Christoph Tegenkamp
(See online at https://doi.org/10.1088/1367-2630/18/9/093012) - Controlling conductivity by quantum well states in ultrathin Bi(111) films, Phys. Rev. B 97, 045403 (2018)
P. Kröger, D. Abdelbarey, M. Siemens, D. Lükermann, S. Sologub, H. Pfnür, C. Tegenkamp
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.045403)
