Φαινόμενα Μαγνητο-μεταφοράς σε Λεπτά Υμένια Τοπολογικών Μονωτών και Ημιμεταλλικών Συστημάτων

Abstract

Η ανακάλυψη των τοπολογικών μονωτών και της μη-τετριμμένης δομής τους, την τελευταία δεκαετία, οδήγησε σε νέες κατευθύνσεις την έρευνα στο πεδίο της φυσικής συμπυκνωμένης ύλης. Τα τοπολογικά υλικά χαρακτηρίζονται από εξωτικές ιδιότητες των επιφανειακών τους καταστάσεων. Η πλούσια φαινομενολογία που παρουσιάζουν αυτά τα υλικά μπορεί να επεκταθεί περαιτέρω μέσω της εισαγωγής νέων ιδιοτήτων από την αλληλεπίδρασή τους με το μαγνητισμό. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με δύο τρόπους, είτε με την εισαγωγή μαγνητικών ροπών μέσω νόθευσης, είτε με την επαφή του τοπολογικού μονωτή με ένα σιδηρομαγνητικό υλικό. Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τις ιδιότητες λεπτών υμενίων από τα εν λόγω υλικά και πιο συγκεκριμένα αυτές που αφορούν τα φαινόμενα μαγνητο-μεταφοράς. Ειδικότερα τα υλικά που μελετήθηκαν είναι λεπτά υμένια του τοπολογικού μονωτή Bi2Te3 καθώς και οι ενώσεις που προκύπτουν από τη νόθευσή του με τα στοιχεία μεταπτώσεως Mn, Co και Cr. Οι διστρωματικές δομές του Bi2Te3 – Co κρίθηκε επίσης ένα ενδιαφέρον για ανάλυση σύστημα, δεδομένου ότι εμπλέκει το φαινόμενο της μαγνητικής εγγύτητας. Τέλος, μελετήθηκε και η συμπεριφορά λεπτών υμενίων, με διαφορετικές θερμοκρασίες εναπόθεσης, του ημιμεταλλικού Bi το οποίο είναι δομικό στοιχείο αρκετών από τις ενώσεις που εμπίπτουν στους τοπολογικούς μονωτές. Για τη σύνθεση των δειγμάτων χρησιμοποιήθηκε η τεχνική της μαγνητικά υποβοηθούμενης ιοντοβολής. Η τεχνική αυτή διαθέτει αρκετά πλεονεκτήματα όπως δυνατότητα εφαρμογής σε βιομηχανική κλίμακα και χαμηλό κόστος παραγωγής. Εντούτοις, ο αριθμός των βιβλιογραφικών μελετών που αναφέρουν τη σύνθεση των τοπολογικών μονωτών είναι περιορισμένος. Για τα δείγματα πραγματοποιήθηκε δομικός χαρακτηρισμός με την τεχνική της περίθλασης ακτίνων-Χ και μορφολογικός χαρακτηρισμός με μικροσκοπία ατομικής δύναμης και ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης εκπομπής πεδίου. Επιπλέον, τα φαινόμενα μεταφοράς μελετήθηκαν με μετρήσεις μαγνητοαντίστασης και αντίστασης Hall σε σύστημα μέτρησης φυσικών ιδιοτήτων. Ο μορφολογικός χαρακτηρισμός των λεπτών υμενίων Bi ανέδειξε ότι κατά την εναπόθεση κοντά στη θερμοκρασία τήξης του Bi, δηλαδή στους 271 oC, σχηματίζονται μεγάλες κρυσταλλικές δομές. Οι δομές αυτές χαρακτηρίζονται ως κρύσταλλοι ισορροπίας και το σχήμα τους προκύπτει από την ελαχιστοποίηση της επιφανειακής ελεύθερης ενέργειας που σχετίζεται με τη διεπιφάνεια κρυστάλλου-μέσου. Οι κρύσταλλοι αυτοί εξετάστηκαν εκτενώς, όπου η σχετική ανάλυση βασίστηκε στο σχήμα Wulff που παρουσιάζουν. Αναφορικά με τη μορφολογία των υπολοίπων δειγμάτων βρέθηκε ότι αυτή διαφοροποιείται με βάση τη θερμοκρασία εναπόθεσης. Συγκεκριμένα, για τις χαμηλότερες θερμοκρασίες εναπόθεσης η ανάπτυξη του υμενίου γίνεται με βάση το μηχανισμό Stranski-Krastanov, ενώ για θερμοκρασίες από 200 οC και υψηλότερες ο μηχανισμός Volmer-Weber είναι πιο συμβατός με τη μορφολογία των υμενίων. Οι ιδιότητες μαγνητο-μεταφοράς για αυτή τη σειρά δειγμάτων μελετήθηκαν μόνο για το δείγμα που εναποτέθηκε στους 80 οC. Για το δείγμα αυτό βρέθηκε ότι σε ασθενή μαγνητικά πεδία κυριαρχεί η διδιάστατη μεταφορά ενώ σε ισχυρότερα επικρατεί η τριδιάστατη. Επιπλέον, οι μετρήσεις μαγνητοαγωγιμότητας καταδεικνύουν την ύπαρξη περισσότερων από δύο διδιάστατων αγώγιμων καναλιών, οπότε στην περίπτωση του ημιμεταλλικού Bi δεν επιβεβαιώνεται τοπολογική συμπεριφορά. Αντιθέτως, για τα δείγματα αναφοράς Bi2Te3 που εξετάσθηκαν η ανάλυση του φαινόμενου ασθενούς απεντοπισμού, της μαγνητοαγωγιμότητας, με βάση την εξίσωση Hikami-Larkin-Nagaoka απέδωσε αριθμό αγώγιμων καναλιών ίσο με δύο ή ένα. Το γεγονός αυτό επιβεβαιώνει την τοπολογική φύση των δειγμάτων καθώς στην πρώτη περίπτωση συνεισφέρουν τα δύο επιφανειακά κανάλια του υμενίου στην αγωγιμότητα ενώ στη δεύτερη το ένα κανάλι προέρχεται από τη σύζευξη των δύο προηγουμένων. Σε κάθε περίπτωση, όμως, η αγωγιμότητα οφείλεται σε επιφανειακά κανάλια και όχι στον κύριο όγκο του υλικού. Η επίδραση του μαγνητισμού στο φαινόμενο ασθενούς απεντοπισμού είναι σημαντική καθώς στις περισσότερες περιπτώσεις προκαλεί την εξασθένισή του, όπως παρατηρείται από τη νόθευση με Co και Cr, αλλά και την αλληλεπίδραση του Bi2Te3 με το σιδηρομαγνητικό στρώμα Co. Εξαίρεση αποτελεί η περίπτωση νόθευσης με Mn όπου τα φαινόμενα ασθενούς απεντοπισμού διατηρούνται. Η επίδραση του μαγνητισμού, όμως, δεν περιορίζεται στο φαινόμενο ασθενούς απεντοπισμού. Στις διστρωματικές δομές Bi2Te3 – Co οι μετρούμενες καμπύλες μαγνητοαντίστασης διαφέρουν από τις θεωρητικά αναμενόμενες, όπου θεωρείται απουσία αλληλεπιδράσεων και η συνολική αντίσταση προκύπτει από αυτές των επιμέρους στρωμάτων. Το γεγονός αυτό οφείλεται στο φαινόμενο της μαγνητικής εγγύτητας. Επιπλέον, στις περιπτώσεις νόθευσης με Mn και Cr επάγεται μακράς κλίμακας σιδηρομαγνητική τάξη, όπως επιβεβαιώνεται από την παρουσία ανώμαλου φαινομένου Hall. Ειδικότερα, στην περίπτωση της νόθευσης με Cr τα φαινόμενα υστέρησης είναι ιδιαίτερα εμφανή με τις αντίστοιχες τιμές συνεκτικού πεδίου να είναι μεγαλύτερες και από αυτές του στοιχειακού Co. Εν κατακλείδι, τα ευρήματα της παρούσας διατριβής μπορούν να συνεισφέρουν στην ανάπτυξη της τεχνολογίας σύγχρονων αισθητήρων που βασίζονται στο ανώμαλο φαινόμενο Hall. Επίσης, σε συνδυασμό με θεωρητικές μελέτες μπορεί να αξιοποιηθούν για την αποσαφήνιση και βαθύτερη κατανόηση της φύσης αυτών των προεξεχόντων υλικών και των θεμελιωδών φυσικών φαινομένων που εμπλέκουν.