밴드구조의 특별한 위상(topology)으로부터 기인하는 ‘위상적으로 보호된 표면 상태’(topologically protected surface state, TSS)를 보이는 위상절연체(topological insulator)는 새로운 양자상태의 하나로, 최근 학문적, 실용적 중요성으로 인해 많은 관심을 끌고 있다. ...
밴드구조의 특별한 위상(topology)으로부터 기인하는 ‘위상적으로 보호된 표면 상태’(topologically protected surface state, TSS)를 보이는 위상절연체(topological insulator)는 새로운 양자상태의 하나로, 최근 학문적, 실용적 중요성으로 인해 많은 관심을 끌고 있다. 위상절연체의 독특한 표면상태를 관찰하고, 이를 이용한 소자 개발에 있어서 현재 가장 큰 문제점은, 본래 부도체의 특성을 보여야 할 벌크(bulk)에서 여전히 큰 전기전도도가 나타난다는 점이다. 그 이유는 결함에 의한 도핑 때문인 것으로 보고되고 있다. 이로 인해, 잘 알려진 3차원 위상절연체(Bi2Se3, Bi2Te3, Sb2Te3)에서는 n-type의 전도 특성이 나타난다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 논문에서는 보상 도핑(compensation doping) 방법에 대한 실험을 진행하였다. 이를 위해, 잘 알려진 위상절연체 물질이며 n-type을 전도 특성을 보이는 Bi2Te3에 Sn을 도핑하여 도핑 농도에 따른 벌크 전도성의 변화를 관찰하였다. Sn도핑 농도가 증가함에 따라, 벌크 전도성이 크게 억제되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 자기저항(magnetoresistance, MR) 특성에 대한 연구를 통해, Sn이 도핑된 Bi2Te3 박막에서 높은 스핀-궤도 결합에 의한 약한 반국소화(weak antilocalization)현상에 의해 전하 수송이 지배되는 것을 확인하였다. 스핀-궤도 결합의 세기는 Sn의 도핑에 의해 크게 감소하여, 상 감쇠거리(phase relaxation length)가 도핑을 하지 않은 Bi2Te3 박막에 비해 약 3배 정도 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 마지막으로, 특정 온도에서 자기저항이 최대값을 가지는 현상이 관찰되었는데, 이는 보상 도핑에 의해 전자와 정공(hole)의 공존에 의한 것을 설명할 수 있다. 이러한 결과들은 모두 전하의 보상도핑과 관련하여 해석될 수 있으며, 우리는 이 결과가 위상절연체의 표면상태를 활용하는 완전히 새로운 전자소자의 개발에 많은 아이디어를 제공할 것으로 기대한다.
밴드구조의 특별한 위상(topology)으로부터 기인하는 ‘위상적으로 보호된 표면 상태’(topologically protected surface state, TSS)를 보이는 위상절연체(topological insulator)는 새로운 양자상태의 하나로, 최근 학문적, 실용적 중요성으로 인해 많은 관심을 끌고 있다. 위상절연체의 독특한 표면상태를 관찰하고, 이를 이용한 소자 개발에 있어서 현재 가장 큰 문제점은, 본래 부도체의 특성을 보여야 할 벌크(bulk)에서 여전히 큰 전기전도도가 나타난다는 점이다. 그 이유는 결함에 의한 도핑 때문인 것으로 보고되고 있다. 이로 인해, 잘 알려진 3차원 위상절연체(Bi2Se3, Bi2Te3, Sb2Te3)에서는 n-type의 전도 특성이 나타난다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 논문에서는 보상 도핑(compensation doping) 방법에 대한 실험을 진행하였다. 이를 위해, 잘 알려진 위상절연체 물질이며 n-type을 전도 특성을 보이는 Bi2Te3에 Sn을 도핑하여 도핑 농도에 따른 벌크 전도성의 변화를 관찰하였다. Sn도핑 농도가 증가함에 따라, 벌크 전도성이 크게 억제되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 자기저항(magnetoresistance, MR) 특성에 대한 연구를 통해, Sn이 도핑된 Bi2Te3 박막에서 높은 스핀-궤도 결합에 의한 약한 반국소화(weak antilocalization)현상에 의해 전하 수송이 지배되는 것을 확인하였다. 스핀-궤도 결합의 세기는 Sn의 도핑에 의해 크게 감소하여, 상 감쇠거리(phase relaxation length)가 도핑을 하지 않은 Bi2Te3 박막에 비해 약 3배 정도 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 마지막으로, 특정 온도에서 자기저항이 최대값을 가지는 현상이 관찰되었는데, 이는 보상 도핑에 의해 전자와 정공(hole)의 공존에 의한 것을 설명할 수 있다. 이러한 결과들은 모두 전하의 보상도핑과 관련하여 해석될 수 있으며, 우리는 이 결과가 위상절연체의 표면상태를 활용하는 완전히 새로운 전자소자의 개발에 많은 아이디어를 제공할 것으로 기대한다.
A topological insulator (TI), a new quantum state featured with the topologically-protected surface state (TSS) originating from its unique topology in band structure, has attracted much interest due to academic and practical importance. A major issue to the study and the application of the TSS is a...
A topological insulator (TI), a new quantum state featured with the topologically-protected surface state (TSS) originating from its unique topology in band structure, has attracted much interest due to academic and practical importance. A major issue to the study and the application of the TSS is a large contribution of the bulk conduction, which should be suppressed in nature. The large bulk conductivity is reported to be attributed to the free carriers unintentionally doped by defects. As a result, most of the famous three-dimensional (3D) topological insulators (Bi2Se3, Bi2Te3, Sb2Te3, …) usually show n-type conductivity. To resolve this problem, we have performed experiments on the method of compensation doping. To this end, we investigated the change in bulk conductivity by doping Sn in Bi2Te3, which shows n-type conduction for undoped films grown by Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) technique. As Sn concentration increases, it was found that the bulk conductivity was strongly suppressed resulting in the insulating behavior of the bulk. Moreover, through the investigation of the magnetoresistance (MR) of the Bi2-aSnδTe3 thin films, the carrier transport was found to be dominated by the weak antilocalization (WAL) due to the strong spin-orbit coupling. The strength of the spin-orbit coupling was found to decease with increasing Sn concentration, leading to about three-fold increase of the phase-relaxation length of the Sn-doped Bi2Te3 films compared to the undoped Bi2Te3 film. And, the last, the temperature dependence of MR was found to show an intriguing behavior, a broad peaked structure around a temperature depending on the Sn concentration, which is explained in terms of the coexistence of electrons and holes supplied by defects and compensation doping, respectively. We believe, provide an important step for the application of topological insulators for developing novel functional devices based on the topological surface states.
A topological insulator (TI), a new quantum state featured with the topologically-protected surface state (TSS) originating from its unique topology in band structure, has attracted much interest due to academic and practical importance. A major issue to the study and the application of the TSS is a large contribution of the bulk conduction, which should be suppressed in nature. The large bulk conductivity is reported to be attributed to the free carriers unintentionally doped by defects. As a result, most of the famous three-dimensional (3D) topological insulators (Bi2Se3, Bi2Te3, Sb2Te3, …) usually show n-type conductivity. To resolve this problem, we have performed experiments on the method of compensation doping. To this end, we investigated the change in bulk conductivity by doping Sn in Bi2Te3, which shows n-type conduction for undoped films grown by Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) technique. As Sn concentration increases, it was found that the bulk conductivity was strongly suppressed resulting in the insulating behavior of the bulk. Moreover, through the investigation of the magnetoresistance (MR) of the Bi2-aSnδTe3 thin films, the carrier transport was found to be dominated by the weak antilocalization (WAL) due to the strong spin-orbit coupling. The strength of the spin-orbit coupling was found to decease with increasing Sn concentration, leading to about three-fold increase of the phase-relaxation length of the Sn-doped Bi2Te3 films compared to the undoped Bi2Te3 film. And, the last, the temperature dependence of MR was found to show an intriguing behavior, a broad peaked structure around a temperature depending on the Sn concentration, which is explained in terms of the coexistence of electrons and holes supplied by defects and compensation doping, respectively. We believe, provide an important step for the application of topological insulators for developing novel functional devices based on the topological surface states.
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