Δομικός και μαγνητο-ηλεκτρικός χαρακτηρισμός τοπολογικών λεπτών υμενίων Bi1-xSbx

Πηλίδη, Αλεξάνδρα; Pilidi, Alexandra

dc.contributor.author	Πηλίδη, Αλεξάνδρα	el
dc.contributor.author	Pilidi, Alexandra	en
dc.date.accessioned	2022-02-02T10:56:41Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/54524
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.22222
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	Τοπολογικοί Μονωτές	el
dc.subject	Λεπτά Υμένια	el
dc.subject	Μαγνητοαντίσταση	el
dc.subject	Βισμούθιο	el
dc.subject	Φαινόμενο Hall	el
dc.subject	Topological Insulators	en
dc.subject	Thin Films	en
dc.subject	Magnetoresistance	en
dc.subject	Bismuth	en
dc.subject	Hall Effect	en
dc.title	Δομικός και μαγνητο-ηλεκτρικός χαρακτηρισμός τοπολογικών λεπτών υμενίων Bi1-xSbx	el
dc.contributor.department	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Φυσική και Τεχνολογικές Εφαρμογές”	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Φυσική Συμπυκνωμένης Ύλης	el
heal.dateAvailable	2023-02-01T22:00:00Z
heal.language	el
heal.access	embargo
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-04-27
heal.abstract	Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία έχει σκοπό τη σύνθεση και το δομικό, μορφολογικό και μα-γνητο-ηλεκτρικό χαρακτηρισμό λεπτών υμενίων Bi1-xSbx. Τόσο το βισμούθιο (Bi) όσο και το αντιμόνιο (Sb) είναι μεταλλοειδή στοιχεία της ομάδας 15 του περιοδικού πίνακα και εμφανίζουν ημιμεταλλική συμπεριφορά ως προς την ηλεκτρική τους αγωγιμότητα. Στο στοιχειακό Bi οι ζώνες σθένους και αγωγιμότητας έχουν μικρή επικάλυψη, και συγκεκριμένα 38 meV στους 77 Κ, με αποτέλεσμα να αλλάζουν σημαντικά οι ιδιότητές του όταν προστίθενται στοιχεία όπως το Sb. Τα κράματα Bi1-xSbx εμφανίζουν έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον καθώς αποτελούν τους πρώτους τοπολογικούς μονωτές που είχαν ανακαλυφθεί και διαπιστωθεί πειραματικά μέσω της χαρτογράφησης των ασυνήθιστων επιφανειακών καταστάσεων τους με την τεχνική ARPES (Angle-resolved photoemission spectroscopy). Με στόχο την μελέτη των κραμάτων αυτών παρασκευάστηκε μια σειρά δειγμάτων, λεπτών υμενίων, με διαφορετικές συγκεντρώσεις Sb. Τα λεπτά υμένια συντέθηκαν με την τεχνική της μαγνητικά υποβοηθούμενης καθοδικής ιοντοβολής (magnetron sputtering) επάνω σε υποστρώματα Si με προσανατολισμό (111). Η σύνθεση επιτεύχθηκε με δέκα εναλλασσόμενες εναποθέσεις Bi και Sb σε θερμοκρασία δωματίου. Στα δείγματα πραγματοποιήθηκε ex situ ανόπτηση (annealing) στους 80 οC με αποτέλεσμα να αναμιγνύονται τα επιμέρους στρώματα και κατά συνέπεια να σχηματίζεται το κράμα Bi1-xSbx, όπου x = 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.5 και 1. Τα δείγματα χαρακτηρίστηκαν δομικά με τη μέθοδο της περίθλασης ακτίνων-Χ, όπου διαπιστώθηκε η κρυστάλλωση του Bi στο ρομβοεδρικό σύστημα. Το Sb βρέθηκε ότι κρυσταλλώνεται στο ρομβοεδρικό σύστημα, όταν περιέχεται σε κράματα Bi, αλλά και στο εξαγωνικό για την περίπτωση του λεπτού υμενίου καθαρού Sb. Επιπλέον, για τα δείγματα πραγματοποιήθηκε μορφολογικός χαρακτηρισμός με τις μεθόδους μικροσκοπίας ατομικής δύναμης και ηλεκτρονικής μικρο-σκοπίας σάρωσης. Οι αντίστοιχες μετρήσεις κατέδειξαν τη μείωση της επιφανειακής τραχύτητας, με αύξηση του ποσοστού νόθευσης, ως αποτέλεσμα της μείωσης του πλήθους και του μεγέθους των δομών τύπου νησίδων, που αναπτύσσονται σύμφωνα με το μηχανισμό Stranski-Krastanov, κατά την εναπόθεση Bi. Τελικώς, για τα δείγματα κραμάτων πραγματοποιήθηκε μαγνητο-ηλεκτρικός χαρακτηρισμός με μέτρηση της διαμήκους αντίστασης, Rxx, και της αντίστασης Hall, Rxy, για μαγνητικά πεδία εντάσεως έως και 7 T και θερμοκρασίες από 7 Κ έως 100 Κ. Με βάση τις μετρήσεις αυτές επιβεβαιώνεται η ύπαρξη του φαινομένου ασθενούς απεντοπισμού στους 7 Κ για το οποίο πραγματοποιείται προσαρμογή στην εξίσωση Hikami-Larkin-Nagaoka. Ακόμη, από τις μετρήσεις αντίστασης Hall προκύπτει ότι τα δείγματα εμφανίζουν γραμμική απόκριση με αρνητική κλίση, οπότε οι κυρίαρχοι φορείς αγωγιμότητας είναι τα ηλεκτρόνια. Από τις μετρήσεις Rxy υπολογίζεται η επιφανειακή πυκνότητα φορέων. Η νόθευση με Sb οδηγεί σε αύξηση της επιφανειακής πυκνότητας των ηλεκτρονίων οπότε συμπεραίνεται ότι το Sb δρα σαν δότης ηλεκτρονίων.	el
heal.abstract	The present master thesis deals with the fabrication and structural, morphological and magneto-transport characterization of thin films of Bi1-xSbx. Both bismuth (Bi) and antimony (Sb) are metalloid elements of the group 15 of the periodic table and show semimetal behavior in terms of their electrical conductivity. In elemental Bi the valence and conduction bands exhibit a small overlap, in particular equal to 38 meV at 77 K, and consequently its properties change dramatically when elements such Sb are added to form alloys. Bi1-xSbx alloys are systems of great research interest since these systems were the first topological insulators to be discovered and experimentally realized through mapping of their distinct surface states by ARPES (Angle-resolved photoemission spectroscopy) experiments. With the aim to examine these alloys, a series of thin film samples with different Sb compositions was prepared. The thin films were fabricated by the magnetron sputtering technique onto Si(111) substrates. The fabrication of the samples was achieved by ten alternating depositions of Bi and Sb at room temperature. Subsequently, the samples were ex situ annealed at 80 oC and as a result the distinct layers were mixed leading to the formation of Bi1-xSbx alloys, with x = 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.5 and 1. The samples were structurally characterized by X-ray diffraction that revealed the crystallization of Bi according to the rhombohedral crystal system. As it was shown, Sb also crystallizes in the rhombohedral system, in case it is alloyed with Bi, but also in the hexagonal lattice as for the thin film of pure Sb. In addition, the samples were morphologically characterized by means of atomic force microscopy and scanning electron microscopy. The corresponding measurements revealed a decrease in the surface roughness, with increasing Sb concentration, as a result of the decrease in the number and the size of island-like structures that form, due to the Stranski-Krastanov growth mode, during Bi deposition. Finally, for the alloyed samples magneto-transport characterization was carried out with measurements of longitudinal resistance, Rxx, and Hall resistance, Rxy, for magnetic fields up to 7 T and for temperatures ranging from 7 K to 100 K. The measurements revealed the existence of weak antilocalization effect at 7 K, and the corresponding data were fitted to the Hikami-Larkin-Nagaoka equation. Also, the Hall resistance measurements showed a linear response to magnetic field with negative slope, indicating that the dominant charge carriers are electrons. The surface charge carriers’ density was extracted from the Rxy data. Doping with Sb leads to an increase of the electrons’ surface density, and thus it can be assumed that Sb acts an electron donor.	en
heal.sponsor	Η έρευνα που αφορά την παρούσα μεταπτυχιακή εργασία χρηματοδοτήθηκε από το Air Force Office of Scientific Research (AFOSR), USA.	el
heal.sponsor	This work was financially supported by the Air Force Office of Scientific Research (AFOSR), USA.	en
heal.advisorName	Σπηλιώτης, Αθανάσιος	el
heal.committeeMemberName	Σπηλιώτης, Αθανάσιος	el
heal.committeeMemberName	Κόλλια, Κωνσταντίνα	el
heal.committeeMemberName	Τροχίδου, Καλλιόπη	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	90 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false