Pressemeldung: Intrinsische Leitfähigkeit der topologischen Oberflächenzustände in Bi2Te3

3. November 2014

Topologische Isolatoren (TI) sind eine erst vor wenigen Jahren theoretisch vorhergesagte, neue Materialklasse mit exotischen Eigenschaften. Die Bezeichnung "topologische Isolatoren" steht dabei für  Verbindungen, die in ihrem Inneren isolierend sind, dieses Innere aber gleichzeitig aufgrund von Quanteneffekten unvermeidbar eine metallisch leitende Oberfläche erzeugt. Wegen ihres großen Potentials für neuartige Anwendungen, unter anderem für hocheffiziente Speicherchips, werden diese Materialien gegenwärtig intensiv untersucht. Außerdem wird  in diesen Verbindungen die Existenz und Beobachtbarkeit fundamental neuer Quantenteilchen, zum Beispiel der sogenannten Majorana Fermionen, vorhergesagt. Leider verhindern Defekte in der Kristallstruktur sowie die Verunreinigungen bzw. Oxidation der Oberflächen an der Luft bisher oft eine genaue experimentelle Untersuchung dieser Substanzen und behindern damit deren Weiterentwicklung mit Blick auf technische Anwendungen.

Wissenschaftlern am MPI CPfS Dresden, in Kollaboration mit der University of British Columbia (Kanada), ist es nun gelungen, diese Schwierigkeiten zu umgehen. Die Dresdener Forscher stellten dazu wenige Nanometer (Milliardstel eines Meters) dicke Filme aus dem TI-Material Bi2Te3 auf einer Unterlage aus BaF2 her, wobei sie zunächst die Bi2Te3 Proben sorgfältig optimierten (siehe Abb. 1). Um Verunreinigung  bzw. Oxidation der Oberfläche durch Luft zu verhindern, fanden die Präparation und alle anschließende Untersuchung der Proben im Ultrahochvakuum statt. Die Physiker am CPfS haben speziell für derartige Experimente  eine bisher weltweit einmalige Anlage konstruiert (siehe Abb. 2). Für ein detailliertes Verständnis der elektronischen Struktur des Bi2Te3 Films wurden winkelaufgelöste Photoelektronen-Spektren (ARPES) aufgenommen (siehe Abb. 3). Dazu bestrahlt man die Oberfläche  der Probe  mit hochenergetischem Licht und analysiert die Energie der in verschiedene Richtungen aus dem Material herausgelösten Elektronen. Die so von den CPfS Physikern aufgenommenen Spektren (siehe Abb. 3) liefern einen eindeutigen Beweis für die  herausragende Qualität ihrer Bi2Te3 Filme und zeigen somit einen prinzipiell gangbaren Weg für die Weiterentwicklung dieser Materialklasse. Für zukünftige Anwendungen bleibt die Aufgabe, die im Ultrahochvakuum erzeugten Filme durch geeignete Deckschichten vor der Kontamination durch Luft zu schützen.

Ultra-Hoch-Vakuum System am MPI CPfS Dresden. Der komplexe, weltweit einzigartige Aufbau vereint Probenherstellung und vielfältige Charakterisierung,  z.B. mittels winkelaufgelöster Photoelektronen-Spektroskopie, sowie Transport-Messungen,  ohne ein Verlassen der hochreinen UHV-Bedingungen. Daher können Verunreinigungen der Probenoberfläche zwischen den verschiedenen Messungen ausgeschlossen werden.

Bi2Te3 Probe auf Probenhalter im Ultrahochvakuum. Der nur wenige nm dünne Bi2Te3 Film wurde auf einer isolierenden Trägersubstanz abgeschieden. Die spiegelnde Oberfläche des schwarz glänzenden Bereichs in der Bildmitte ist ein Indiz für die gute metallische Leitfähigkeit der Probe.

ARPES Spektren einer Bi2Te3  Probe. Die Spektren zeigen die elektronische Struktur der Substanz für verschiedene Richtungen (Winkel); entlang der Radien ist dabei die Bindungsenergie der Elektronen aufgetragen. Die linearen, kegelförmigen Bänder zeigen die für topologische Isolatoren charakteristischen Oberflächenzustände.
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