Propriedades de filmes finos do isolante topológico telureto de bismuto crescidos por epitaxia de feixe molecular

• Main Author: Celso Israel Fornari
• Other Authors: Paulo Henrique de Oliveira Rappl
• Language: Portuguese
• Published: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) 2017
• Online Access: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2017/02.03.15.34

Neste trabalho foram crescidos e investigados, do ponto de vista estrutural e elétrico, filmes finos de telureto de bismuto crescidos sobre substratos de BaF2 (111). A primeira etapa deste trabalho consistiu na otimização dos parâmetros de crescimento por epitaxia de feixe molecular. Para isto, investigou-se a influência da pressão equivalente do feixe proveniente da fonte de Bi2Te3, da temperatura do substrato e da oferta extra de telúrio. Os parâmetros estruturais das amostras foram medidos no difratômetro de alta resolução instalado no LAS/INPE, permitindo quantificar a estequiometria dos filmes, a qualidade cristalina, o grau de geminação, a rugosidade da superfície e a espessura da camada epitaxial. Medições na linha XRD2 do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron foram realizadas para aquisição de mapas do espaço recíproco em torno de picos de Bragg simétricos e assimétricos. Medições por microscopia de força atômica permitiram avaliar a influência dos parâmetros de crescimento na morfologia e rugosidade da superfície. Medições de resistividade elétrica em função da temperatura e de efeito Hall permitiram determinar o diagrama de comportamento elétrico dos filmes de telureto de bismuto. Paralelamente ao estudo experimental, um modelo de crescimento epitaxial usando Monte Carlo foi desenvolvido. O modelo forneceu uma visão atomística do crescimento, permitindo elucidar a influência dos parâmetros de crescimento nas propriedades dos filmes. Uma vez fixados os parâmetros ideais para obtenção de filmes finos de Bi2Te3 com alta qualidade estrutural, uma série de filmes foi crescida com espessura variada. A dependência das propriedades estrutural e elétrica com a espessura destes filmes foi investigada. As propriedades topológicas dos filmes de Bi2Te3 crescidos foram analisadas por medidas de espectroscopia de fotoemissão resolvida em ângulo (ARPES), realizadas na Universidade de Würzburg. Uma nova técnica foi desenvolvida para proteger a superfície dos filmes contra contaminação durante o traslado entre o sistema de crescimento e o sistema de análise de superfície. Os espectros ARPES e os mapas de Fermi medidos confirmaram a presença dos estados topológicos de superfície e, nas condições otimizadas de crescimento, revelaram filmes de Bi2Te3 com comportamento isolante volumétrico intrínseco. === In this work, thin films of bismuth telluride were grown on (111) BaF2 substrates and investigated in a structural and electrical point of view. The first step of this work consisted in the optimization of the molecular beam epitaxial growth parameters. For this purpose, it was investigated the influence of beam equivalent pressure of the Bi2Te3 solid source, substrate temperature and extra tellurium offer on the film parameters. The structural parameters of the samples were measured in the high-resolution diffractometer installed in LAS/INPE, which allowed quantification of film stoichiometry, crystalline quality, twinning degree, surface roughness and thickness of the epitaxial layers. Measurements in the XRD2 line of the Brazilian Synchrotron Light Laboratory were performed to acquire reciprocal space maps around symmetric and asymmetric Bragg peaks. Atomic force microscopy images allowed evaluating the influence of growth parameters on surface morphology and roughness. Resistivity and Hall effect, measured as a function of temperature, allowed to determine the electrical behavior diagram of the bismuth telluride films. Parallel to the experimental study, an epitaxial growth model based on Monte Carlo method was developed. The model provided an atomistic view of the growth, which elucidated the influence of the growth parameters on the film properties. After determining the ideal parameters to obtain Bi2Te3 thin films with high structural quality, it was produced a series of films with varied thickness. Thus, the dependence of the structural and electrical properties on film thickness was determined. The topological properties of the Bi2Te3 films were analyzed by angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) measurements performed at Würzburg University. A new technique was developed to protect the film surface against contamination during the transfer from the growth system to the surface analysis system. The acquired ARPES spectra and Fermi maps confirmed the presence of the topological surface states and, under optimized growth conditions, revealed Bi2Te3 films with intrinsic bulk insulating behavior.