Полупроводники

Исследование межслоевой поверхности пленок $p$-Bi$_{2-x}$Sb$_x$Te$_3$ топологических термоэлектриков методами сканирующей туннельной спектроскопии и микроскопии

Л. Н. Лукьянова, И. В. Макаренко, О. А. Усов, В. А. Данилов

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, Санкт-Петербург, Россия

Аннотация: В слоистых пленках топологических изоляторов $p$-Bi$_{0.5}$Sb$_{1.5}$Te$_3$ и $p$-Bi$_2$Te$_3$, осажденных дискретным испарением, исследована морфология межслоевой поверхности Ван-дер-Ваальса (0001) методом сканирующей туннельной микроскопии. Проведена систематизация примесных и собственных дефектов, возникающих в процессе формирования пленок. Установлено, что в пленке твердого раствора $p$-Bi$_{0.5}$Sb$_{1.5}$Te$_3$ с низкой теплопроводностью возрастает плотность вакансий теллура $V_{\mathrm{Te}}$ и искажений по высоте в распределении атомов Te(1) на поверхности (0001) по сравнению с $p$-Bi$_2$Te$_3$. Методом сканирующей туннельной спектроскопии определены локальные параметры поверхностных электронных состояний фермионов Дирака. Показано, что в пленке $p$-Bi$_{0.5}$Sb$_{1.5}$Te$_3$ с высокой термоэлектрической эффективностью точка Дирака $E_D$ смещается к потолку валентной зоны. Несмотря на то, что в объеме исследованные пленки имеет проводимость $p$-типа, на поверхности пленок находятся электроны, поскольку уровень Ферми $E_\mathrm{F}$ располагается выше точки Дирака $E_D$. Флуктуации энергии точки Дирака $\Delta E_D/\langle E_D\rangle$, края валентной зоны $\Delta E_V/\langle E_V\rangle$ и энергии уровней поверхностных дефектов $E_p$ в пленках $p$-Bi$_{0.5}$Sb$_{1.5}$Te$_3$ ниже, чем в $p$-Bi$_2$Te$_3$ вследствие изменения плотности состояний на поверхности (0001). Ширина запрещенной зоны $E_g$ в исследованных пленках возрастает по сравнению с оптическими данными вследствие инверсии краев валентной зоны и зоны проводимости в топологических изоляторах.

Ключевые слова: халькогениды висмута и сурьмы, слоистые пленки, поверхностные дефекты, поверхностная концентрация фермионов, топологический изолятор.

Поступила в редакцию: 11.04.2024
Исправленный вариант: 12.05.2024
Принята в печать: 17.06.2024

DOI: 10.61011/PSS.2024.08.59047.86