- елементи
- абстрактно
- Въведение
- методи
- Наличност на данни
- Допълнителна информация
- Word документи
- Допълнителна информация
- Коментари
елементи
абстрактно
Представяме изследване на структурата и химичния състав на допиран с Cr 3D 3D топологичен изолатор Bi 2 Se 3. Монокристалните тънки филми бяха отгледани чрез молекулярно-лъчева епитаксия върху Al 2 O 3 (0001) и техните структурни и химични свойства бяха определени на атомно ниво чрез сканиране на трансмисионна трансмисионна електронна микроскопия и спектроскопия на загуба на електрони. Редовното подреждане на Bi2 Se3 филми се състои от четворни слоеве, с изключение на първите няколко атомни слоя в първоначалния растеж. Спектроскопските данни осигуряват пряко доказателство, че Cr в приемника Bi2 Se3 заменя предимно Bi. Ние също така показваме, че Cr има тенденция да се отделя във вътрешните граници на зърната на зърната Bi 2 Se 3 .
Разположението на легиращите добавки в бихалкогенидната матрица е силно зависимо от вида на добавката, напр. От йонния си радиус и способността да образува нежелани халкогенидни съединения, от концентрацията и от условията на растеж. В Cr: Bi 2 Se 3, добавките могат или да заменят Bi, или да се включат между QL в пропастта на ван дер Ваалс 18, 19. Изчисленията на първия принцип предсказват, че местата Bi са енергийно най-благоприятните места за заместване на Cr 4, 8. Енергията на образуване на Cr, която е в пропастта на Ван дер Ваалс, е с 0.29 eV по-висока в сравнение със сценария на заместване и интерстициалната Cr в QL е много по-неблагоприятна 4 .
В това писмо заявяваме, че Cr може да бъде включен в структурата Bi 2 SO 3 без фазово разделяне. Както беше предсказано от изчисленията, открихме, че Cr е заместен на сайта Bi. Освен това демонстрираме, че Cr може да се сегрегира на границите на зърната, които задължително присъстват в растежа на тънки филми. Тази сегрегация на Cr корелира с пределната плътност на зърното. Тяхното влияние върху състоянието на повърхността на Bi 2 Se 3 ще зависи от геометрията и пространственото разширение на граничните дефекти. Чрез регулиране на плътността на дефектите е възможно да се сведе до минимум количеството Cr, което се сегрегира, и по този начин може да се постигне хомогенно разпределение на Cr по принцип дори при по-високи концентрации на Cr-допант.
За да определим местоположението и разпределението на допаните на Cr във филма, извършихме обширни измервания на високоъгълни пръстеновидни пръстеновидни тъмни полета (HAADF) и измервания на спектроскопията на електронни загуби на атомна разделителна способност (EELS) в коригирани на аберация преходни електронни електрони. Микроскоп (STEM). Фигура 1а показва изглед в напречен разрез на тънък филм Cr: Bi2 Se3 в равнината Al 2 O 3 с ниско увеличение на напречното сечение на молекулярно-лъчевата епитаксия (MBE). HAADF-STEM изображения в зависимост от атомния номер (
Z2) ясно показват филм Bi 2 SO 3 (светъл контраст) и Al 2 O 3 субстрат (по-тъмна област). Растеж на Cr филм: Bi2S03 (дебелина
100 nm) се медиира от растежа на зърната, причинен от винтови дислокации (Допълнителна фигура S2). Този процес на растеж води до получаване на филм с еднаква дебелина с гладка морфология на повърхността, както е посочено и от отражателни модели с висока енергийна електронна дифракция (RHEED), получени в края на растежа на филма (Допълнителна фигура S1). Избрана област на дифракция на електроните (SAED) (фиг. 1b), получена от междуфазния регион субстрат-филм, показва, че Cr: Bi 2 SO 3 е монокристален и че расте епитаксиално върху Al 2 O 3 (0001) със следните кристалографски връзки:
и Bi2S03 (0001) ‖ AI203 (0001).
( а ) HAADF-STEM изображение с ниско увеличение на Bi2 Se3 филм върху Al203 (0001). б ) SAED от интерфейсната зона Bi 2 Se 3/Al 2 O 3 по протежение на KI;
Изображение в пълен размер
Структурното подреждане на филма е показано на изображенията на HAADF, получени по осите на зоната (фиг. 2). Внезапна промяна в контраста на изображението на HAADF показва химически рязък интерфейс субстрат-филм, а белите ръбове показват непрекъсната QL структура на филма. Фигура 2b предоставя по-отблизо интерфациалната област между Al 2 O 3 и Cr: Bi 2 SO 3. Фигурата показва, че докато интерфейсът с Al 2 O 3 е химически рязък - филмът не е напълно подреден в началната фаза на растеж. Всъщност той изисква около 3 до 4 атомни слоя, преди да се осъществи редовен растеж на QL Bi 2 Se 3. След като се постигне растеж на QL, следващият филм се подрежда непрекъснато, както се потвърждава чрез рентгенова дифракция (XRD) и изображения с атомна силова микроскопия (AFM) (допълнителни фигури S2 и S3); по протежение на тази кристалографска ориентация атомните колони Bi и Se не се припокриват и следователно атомните колони Bi и Se могат лесно да бъдат разграничени поради много по-големия атомен номер на Bi в сравнение със Se. Вмъкването на фигура 2b е изображение на HAADF с високо увеличение QL, ясно показващо атомното подреждане на атомните колони Bi и Se.
а ) ясен образ на HAADF-STEM от интерфациалната област между филма и основата. б ) Уголемено изображение на филма на интерфейса. Има гладък интерфейс и правилни четворни слоеве на Bi 2 Se 3, с изключение на първия слой, който изглежда силно нарушен. Вложката показва увеличено изображение на основния слой със сложен структурен модел; Атомни колони Bi (червено) и Se (зелено).
Изображение в пълен размер
След това се фокусираме върху определянето на местоположението на допанти Cr в матрицата Bi 2 Se 3. Директното изобразяване на Cr от HAADF не е възможно поради ниския Z Cr (Z Cr = 24) в сравнение с Bi и Se и ниската концентрация на Cr във филма. За да получим недвусмисления подпис на Cr, присъстващ във филма, извършихме картографиране на загубите на енергия с пространствена разделителна способност чрез електронна спектроскопия (EELS), сканирайки електронната сонда последователно над определена област и събирайки EEL спектъра във всяка точка. След това се създават химически карти чрез интегриране във всяка точка на тези спектрални изображения на интензивността на спектъра по-горе
20 eV прозорец над ръбовете на ръбовете на EELS, докато сигналът за интензивност на HAADF се получава едновременно, което позволява ясна корелация на химическата информация със структурното изображение.
а ) HAADF-STEM изображение от филм Bi2 Se3 и подложка Al2O3. ( б ) HAADF-STEM сигнал от региона на интерес, очертан в ( а ), създаден съвместно с придобиването на EELS. ( ° С ) Cr L 2, 3 EELS сигнал, показващ равномерно разпределение на Cr в петкратните слоеве, съдържащи се в интересуващата област. д ) HAADF-STEM изображение с атомна разделителна способност от областта на филма, записано едновременно със сигнала EELS, показан на д ). д ) пространствено разрешен интензитет на сигнала CrL 2, 3 на ръба, което показва, че Cr в двойните слоеве, споменати в д ) замества Bi. е ) профили на интензитет на двувалентни колони и елементарна карта Cr, показващи пряка пространствена корелация между двата сигнала.
Изображение в пълен размер
а ) Изображение от проучването HAADF-STEM. ( б ) HAADF-STEM сигнал от региона на интерес, очертан в ( а ), създаден съвместно с придобиването на EELS. ( ° С ) Cr L 2, 3 EELS сигнал, показващ сегрегация на Cr по границите на зърната. ( д ) Se L 2, 3 EELS сигнал, показващ равномерно разпределение на Se във филма. д ) фон, изваден от Cr L 2, 3 ръба, получени от границите на зърната и извън граничните зони, обозначени като номера 1 и 2 в точка ° С ), които показват повишен Cr сигнал на границата на зърното.
Изображение в пълен размер
Равномерното разпределение на Cr във филма се съгласува добре с измерените феромагнитни свойства 22, за разлика от неотдавнашния доклад за сегрегацията на Cr на повърхността, което води до суперпарамагнитното поведение на Cr: Bi 2 Se 3. Въпреки че сегрегацията на Cr във филмите не е желателна, докато повечето граници на зърната са във филма (както се наблюдава в това изследване), те не трябва да влияят значително на повърхностните състояния на Дирак, които са макроскопични. Държави, покриващи цялата площ на непрекъснатия филм. За да се потисне образуването на граници на зърното, препоръчваме да се отглежда при по-ниски температури на растеж и по-ниски темпове на растеж.
В обобщение представихме структурно изследване на Cr2 монокристален филм, легиран с Bi 2 SO 3 върху Al 2 O 3 (0001). Структурните и спектроскопски проучвания, използващи STEM-EELS с корекция на аберацията, показват, че включването на Cr във филма Bi 2 SO 3 продължава със заместването на Bi атоми. При изследваната концентрация на Cr 4,6 об.%. Dopant не нарушава структурата на диаманта Bi 2 Se 3. Освен това откриваме сегрегация на Cr в границите на зърната на филмите. Чрез регулиране на плътността на дефектите и регулиране на условията на растеж е възможно да се сведе до минимум сегрегацията на Cr по границите и да се постигне включването на Cr в филми Bi2S03 чрез равномерно заместване на Bi.
методи
Проби от тънък филм Cr: Bi 2 Se 3 са приготвени с помощта на MBE върху сапфирени субплантове c-план, съгласно рецептата, описана в реф. 9. Камерата за растеж на MBE има базово налягане 1 x 10-10 Torr. RHEED се използва за наблюдение на растежа in situ и моделите на потока (допълнителна фигура S1) показват 2D растеж. AFM изображението (допълнително изображение S2) илюстрира спиралните острови, общи за ориентираните към c-maxis филми Bi-Se3 с високи QL стъпки (
1 nm). Островите (или зърната) обикновено имат странично измерение
150 nm и са разделени с окопи (граници на зърното). Дебелина на пробата, използвана в това проучване, е 103 nm, определена чрез рентгеново отражение (XRR) и RBS. Съставът на пробата се определя от RBS като 4,6 at-% Cr, 35,3 at-% Bi и 60,1 at-% Se, като съотношението (Cr + Bi): Se е към 2: 3, което показва, че Cr е заместител на Bi страници 9. Моделът XRD (Допълнителна фигура S3) показва (00 1) семейство пикове, представляващи Bi 2 SO 3 и извлечения параметър на решетка c-maxis
28, 65 Å е малко по-висока от литературната стойност за Bi 2 SO 3 (ICSD 617072). Моментът на магнитно насищане на пробата е
2, 1 μB/Cr и температура на Кюри 8, 5 K9.
Подготовката на пробата чрез напречно сечение на трансмисионна електронна микроскопия (TEM) се извършва по метода на фокусирания йон (FIB), използвайки сканиращ електронен микроскоп с висока разделителна способност FEI Nova 200 NanoLab (FEGSEM). Нанесен е Pt слой, за да се предпази филмът от имплантиране и увреждане на Ga йони.
Структурната характеристика е извършена чрез трансмисионна електронна микроскопия. SAED са получени с помощта на JEOL 2000 EX. STEM изобразяването и измерванията на EELS бяха извършени на инструмент Nion UltraSTEM100 ™, оборудван със спектрометър Gatan Enfina. Микроскопът работи при 100 kV с ъгъл на конвергенция 30 mrad; при тези оптични условия размерът на електронната сонда е зададен на 0.9 Å. Вътрешният ъгъл на детектора за изображения HAADF-STEM е 76 mrad. Разпространението на енергията на естествения електронен лъч за измервания на EELS е 0,3 eV; с дисперсията на спектрометъра, настроена на 03 eV/канал и 1 eV/канал, като по този начин се постига ефективна енергийна разделителна способност съответно от 0,9 eV и 3 eV. Ъгълът на събиране на EELS беше 33 mrad. Използвана е рутинна процедура за намаляване на шума, използваща анализ на основните компоненти (CiMe - приставка за софтуерния пакет Digital Micrograph 2.3 на Gatan 25), за да се увеличи контрастът на спектрите на атомната разделителна способност. След PCA бяха създадени химически карти чрез интегриране на интензивността на спектъра в прозореца
20 eV над Cr L 2, 3 и Se L 2, 3, онези от EELS ръбове след изваждане на фона, използвайки закона на степента на мощност във всяка точка на тези изображения от спектъра.,
Наличност на данни
Всички данни, генерирани по време на това изследване, са достъпни при поискване от Каталога с данни на Университета в Йорк //dx.doi.org/10.15124/e3abd365-2cc0-4938-9bc1-24ee4b4db6b1.
Допълнителна информация
Word документи
Допълнителна информация
Коментари
Изпращайки коментар, вие се съгласявате да спазвате нашите Общи условия и насоки на общността. Ако откриете нещо обидно или несъвместимо с нашите условия или насоки, означете го като неподходящо.