Ta/Bi2Se3 계면 반응에 의해 형성된 TaSe2 모노시트에서 유도된 페르미 표면 키랄성

Nature Communications 13권, 기사 번호: 2472(2022) 이 기사 인용

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Rashba 유형 상호작용이 있는 토폴로지 절연체 및 재료의 스핀-운동량 잠금은 새로운 스핀트로닉 장치에 매우 매력적인 기능이므로 집중적으로 조사되고 있습니다. 스핀-운동량 잠금 기능을 갖춘 새로운 재료 시스템을 식별하고 새로운 스핀트로닉 기능을 갖춘 이종 구조를 만들기 위한 상당한 노력이 진행 중입니다. 본 연구에서 우리는 두 주제를 다루고 인터페이스를 활용하는 방법으로 성장한 토폴로지 절연체 Bi2Se3와 H형 TaSe2의 단일 Se-Ta-Se 삼중층(TL)으로 구성된 반 데르 발스형 이종구조를 조사합니다. 흡착된 금속과 셀레늄 사이의 반응. 그런 다음 표면 X선 회절을 사용하여 TaSe2 유사 TL의 대칭성이 탄탈륨 원자의 수직 원자 이동으로 인해 D3h에서 C3v로 감소한다는 것을 보여줍니다. 스핀 및 운동량 분해 광전자 방출은 대칭성 저하로 인해 페르미 표면의 상태가 Dirac 콘과 결합된 나선형 Rashba와 같은 스핀 텍스처로 표면 윤곽을 형성하는 평면 내 스핀 구성 요소를 획득함을 나타냅니다. 기판. 우리의 접근 방식은 해당 벌크 재료에 존재하지 않는 반 데르 발스 에피택시의 인터페이스 엔지니어링을 통해 키랄 2차원 전자 시스템을 실현하는 경로를 제공합니다.

2차원(2D) 반 데르 발스(vdW) 재료는 토폴로지 및 자성과 같은 응축 물질 물리학의 여러 분야에서 매력적인 재료로 등장했습니다. 특히 흥미로운 점은 시스템이 인터페이스에서 vdW 갭을 나타내는 vdW 에피택시입니다. 흡착물은 격자 매칭이 필요 없이 높은 구조적 품질로 기판에서 성장할 수 있습니다1,2. 토폴로지 재료에서 새로운 기능은 Dirac 및 Weyl 반금속뿐만 아니라 토폴로지 절연체(TI)에서 구현된 전자 스핀과 운동량의 잠금을 포함합니다. TI의 키랄 토폴로지 표면 상태(TSS)는 인접한 강자성(FM) 층3,4,5에서 큰 스핀-궤도 토크(SOT)를 발휘할 수 있는 스핀 전류로 전하 전류를 변환하는 데 매우 효과적인 것으로 밝혀졌습니다. 6. 중요한 문제는 TSS로 인한 SOT 효율이 벌크 상태의 존재, 밴드 벤딩으로 인한 2차원 전자 가스의 출현과 같은 여러 요인에 의해 영향을 받을 수 있다는 것입니다. 이는 최근 최소화되는 것으로 나타났습니다. Bi2Se3 필름 두께를 줄임으로써7. 마찬가지로 Mo, W, Pt 및 Pd와 같은 중금속을 포함하는 중요한 전자 구조를 가진 전이 금속 디칼코게나이드(TMDC)도 상당한 전하에서 스핀 변환에 이르는 스핀 소스 재료로서 놀라운 관심을 발견했습니다8,9,10, 11.

대조적으로, 금속성 TMDC TaSe2는 벌크 형태의 사소한 전자 구조를 가지며 2H 구조(셀레늄에 의한 탄탈륨 주위의 삼각-프리즘 조정)로 결정화됩니다. SOC는 전자 스핀을 평면 방향을 벗어나도록 고정하는 스핀 분극을 유도하는 밴드의 스핀 축퇴를 상승시킵니다. 이 시나리오는 위쪽 및 아래쪽 방향만 있는 1차원 스핀 체인과 관련된 "Ising-model"과 유사하게 "Ising-SOC"라고 합니다.

여기서 우리는 TI Bi2Se3의 (0001) 표면에 단일 Se-Ta-Se 삼중층(TL)으로 구성된 van der vdW 유형 헤테로 구조에서 키랄성이 페르미 표면(FS) 전자 상태에서 생성된다는 것을 보여줍니다. vdW 인터페이스를 통해 Dirac 콘의 콘과 결합됩니다. TaSe2 모노시트는 이전의 많은 연구에서 사용된 박리 또는 분자선 에피택시 방법에 의존하지 않고 오히려 Bi2Se3(0001) 위에 직접 증착된 탄탈륨 원자 사이의 계면 반응을 사용하는 간단한 절차를 사용하여 준비됩니다. 기판. 우리는 이 간단한 방법이 H형 구조를 갖는 잘 정렬된 TaSe2의 단일 시트로 형성된 평평한 섬으로 이어진다는 것을 발견했습니다. TaSe2에 내재된 강력한 스핀-궤도 결합(SOC)과 결합하여 모노시트에 반전 중심이 없으면 페르미 에너지에서 전자 상태가 반대로 스핀 분극된 상태로 스핀 분할됩니다. 브릴루앙 구역(BZ)의 비대칭 관련 K 및 K' 지점. 지금까지 일반적으로 TMDC의 단일 시트는 벌크형이라고 가정되어 왔습니다. 표면 X선 회절(SXRD) 분석은 H형 TaSe2의 단일 단일 시트가 형성된다는 명확한 증거를 제공할 뿐만 아니라 프리즘형 셀레늄 환경의 중심 탄탈륨 원자가 수직으로 이동하여 수평 거울면을 들어올리고 지점을 낮추는 것을 보여줍니다. D3h에서 C3v까지 그룹 대칭. 그런 다음 순순이 계산과 함께 스핀 및 운동량 분해 광전자 방출 분광법을 사용하여 전자 구조에 대한 구조적 완화의 효과를 연구합니다. 우리는 매우 중요한 결과는 FS의 스핀 분극 상태가 평면 내 스핀 구성 요소를 획득하여 키랄성을 생성한다는 것입니다. 이러한 낮은 대칭성 모노시트는 Bi2Se3의 벌크 및 자유 전자 상태에서 발생하는 어려움을 피할 뿐만 아니라 수직으로 자화된 강자성 필름을 조작하기 위해 보다 정교한 평면 SOT를 발생시키는 효율적인 스핀 소스 재료 역할을 할 수 있습니다. 최근 WTe2/퍼멀로이 이종 구조9에서 입증되었습니다.