Characterization and manipulation of Bi2Te3 topological insulator surfaces by scanning probe microscopy.

Νέτσου, Αστεριώνα-Μαρία; Netsou, Asteriona-Maria

dc.contributor.author	Νέτσου, Αστεριώνα-Μαρία	el
dc.contributor.author	Netsou, Asteriona-Maria	en
dc.date.accessioned	2016-07-25T09:46:21Z
dc.date.issued	2016-07-25
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/43249
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.5498
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Topological Insulator	en
dc.subject	Bi2Te3
dc.subject	SPM
dc.subject	Τοπολογικός μονωτής
dc.title	Characterization and manipulation of Bi2Te3 topological insulator surfaces by scanning probe microscopy.	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Materials Science and Engineering	en
heal.dateAvailable	2017-07-24T21:00:00Z
heal.language	en
heal.access	embargo
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-02-25
heal.abstract	Η παρούσα εργασία παρουσιάζει τα αποτελέσματα από τον χαρακτηρισμό και χειρισμό των επιφανείων του τοπολογικού μονωτή (ΤΙ) τελλουριούχου βισμουθίου (Bi2Te3) με τη χρήση μικροσκοπίας σάρωσης με ακίδα (SPM). Η έρευνα αυτή διεξήχθει στο Εργαστήριο Φυσικής Στερεάς Κατάστασης και Μαγνητισμού, στο Τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας, της Σχολής Επιστημών του KU Leuven στα πλαίσια του προγράμματος Erasmus+. Υπό την αιγίδα του προγράμματος Erasmus+ πραγματοποιήθηκε διμερής συνεργασία μεταξύ του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου και του KU Leuven προκειμένου να ολοκληρωθεί με επιτυχία η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία στο ΔΠΜΣ Επιστήμης και Τεχνολογίας των Υλικών. Οι τοπολογικοί μονωτές είναι καινοτόμα υλικά με πολλά υποσχόμενες εφαρμογές, οι οποίες προκύπτουν από τον μοναδικό συνδυασμό του κύριου όγκου του υλικού που δρα ως μονωτής και των εξωτικών μεταλλικών καταστάσεων της επιφάνειας που προστατεύονται από την τοπολογία της ηλεκτρονικής δομής τους. Το Bi2Te3 είναι ένα 3D TI υλικό που μόλις πρόσφατα συγκέντρωσε μεγάλο ενδιάφερον ως δυνητικός υποψήφιος για σπιντρονικές συσκευές και κβαντικούς υπολογιστές που θα λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου. Στην παρούσα εργασία εξετάζεται εκτενώς η συμπεριφορά της επιφάνειας του Bi2Te3 με τη βοήθεια των τεχνικών SPM και AFM. Επιπρόσθετα, παρουσιάζεται μια αποτελεσματική μέθοδος αφαίρεσης της επικάλυψης της στρώσης Te με τη χρήση STM/STS. Τα πειράματα πραγματοποιούνται σε δύο διαφορετικά είδη δειγμάτων: μίας καθαρής επιφάνειας Bi2Te3 που εκτίθεται στον ατμοσφαιρικό αέρα και ενός δείγματος Bi2Te3 καλυμμένου με μία στρώση άμορφου Te. Τα δείγματα εξετάζονται σε συνθήκες περιβάλλοντος σε θερμοκρασία δωματίου και σε συνθήκες εξαιρετικά υψηλού κενού (UHV) και σε χαμηλή θερμοκρασία (4.5 Κ) και σε θερμοκρασία δωματίου. Τα πειραματικά αποτελέσματα για το χαρακτηρισμό της επιφάνεια σε συνθήκες περιβάλλοντος έδειξαν ότι η επιφάνεια του υλικού τροποποιείται έντονα κατά τη διάρκεια των μετρήσεων για τα δείγματα του Bi2Te3. Για τα δείγματα με την επίστρωση Te προσδιορίστηκε ότι το πάχος των 100 nm είναι το βέλτιστο για την προστασία της επιφάνειας. Η τροποποίηση της επιφάνειας στην ατμόσφαιρα είναι πιθανό να προκαλείται λόγω της υγρασίας που έχει σαν αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός στρώματος νερού στην επιφάνεια του Bi2Te3. Τα πειράματα σε συνθήκες UHV έδειξαν ότι το Bi2Te3 παρουσιάζει μια εξαιρετικά επίπεδη επιφάνεια, αλλά μια ατομικά επίπεδη επιφάνεια επιτυγχάνεται μόνο μετά τη διαδικασία ανόπτησης του δείγματος, καθώς επίσης η επιφάνεια του Bi2Te3 δεν τροποποιείται κατά την διάρκεια των μετρήσεων υπό συνθήκες UHV. Τα ευρήματα της παρούσας εργασίας είναι ζωτικής σημασίας για την περαιτέρω σε βάθος μελέτη των εγγενών ιδιοτήτων των 3D TI υλικών.	el
heal.abstract	In this thesis the results of the characterization and manipulation of the topological insulator (TI) bismuth telluride (Bi2Te3) surfaces using scanning probe microscopy (SPM) are described and presented. This research was carried out at the Laboratory of Solid State Physics and Magnetism, Department of Physics and Astronomy, Faculty of Science at KU Leuven under the Erasmus+ program. In the framework of the Erasmus+ program, a bilateral collaboration between the National Technical University of Athens and the KU Leuven was established in order to successfully realize this master’s thesis in the Interdisciplinary program of Materials Science and Engineering. TIs are novel materials with extremely promising applications that are related to their unique combination of an insulating bulk and exotic metallic surface states, which are protected by the topology of their electronic structure. Bi2Te3 is a three-dimensional (3D) TI material that has recently excited the scientific community as a potential candidate for room temperature spintronics and quantum computational devices. In the present work, the behavior of Bi2Te3 surfaces is investigated thoroughly using scanning tunneling microscopy (STM) and atomic force microscopy (AFM) techniques. In addition, an effective tellurium (Te) decapping method is demonstrated using STM/STS. A series of experiments are carried out on two different types of samples: a pristine Bi2Te3 being exposed to the atmosphere and a capped Bi2Te3 sample with amorphous Te capping layer. The samples are examined in ambient conditions at room temperature and in ultrahigh vacuum (UHV) conditions both at low temperature (4.5 K) and at room temperature. The experimental results of the surface characterization in ambient conditions showed that the surface quality is strongly modified during the measurements for the pristine Bi2Te3 sample. For the capped samples it was determined that the thickness of 100 nm is the optimum for the surface protection. Surface modification in ambient is likely caused due to humidity that results in the formation of a water layer in the Bi2Te3 surface. The UHV experiments showed that the freshly cleaved Bi2Te3 sample exhibits an extremely flat surface, but an atomically flat surface is only achieved after the annealing process of the sample, and that the surface of the Bi2Te3 is not changing during the measurements under UHV conditions. These findings are crucial for further in depth studies of the intrinsic properties of the 3D TI Bi2Te3 materials.	en
heal.sponsor	Erasmus+	en
heal.advisorName	Κορδάτος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Κορδάτος, Κωνσταντίνος	en
heal.committeeMemberName	Van Haesendock, Chris	en
heal.committeeMemberName	Τσιβιλής, Σώτηριος	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	81 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true