@PhDThesis{Kawata:2022:PrFiEp,
author = "Kawata, Bianca Akemi",
title = "Propriedades dos filmes epitaxiais do isolante topol{\'o}gico
cristalino PbSnTe dopado com bismuto e do po{\c{c}}o
qu{\^a}ntico de SnTe",
school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
year = "2022",
address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
month = "2022-04-08",
keywords = "telureto de chumbo e estanho, epitaxia de feixe molecular,
isolante topol{\'o}gico cristalino, propriedades estruturais e
el{\'e}tricas, an{\'a}lise de superf{\'{\i}}cie, lead tin
telluride, molecular beam epitaxy, topological crystalline
insulator, structural and electrical properties, surface
analysis.",
abstract = "O composto semicondutor Pb(1-x)Sn(x)Te se cristaliza na estrutura
do sal de rocha. Devido {\`a} simetria de sua estrutura, ele foi
classificado como um isolante topol{\'o}gico cristalino, que
apresenta estados met{\'a}licos de superf{\'{\i}}cie na forma
de cones de Dirac em planos cristalinos de alta simetria. O
Pb(1-x)Sn(x)Te apresenta um car{\'a}ter intr{\'{\i}}nseco
tipo-p que dificulta a visualiza{\c{c}}{\~a}o dos estados
topol{\'o}gicos de superf{\'{\i}}cie. Uma dopagem
extr{\'{\i}}nseca com material tipo-n, como o bismuto, {\'e}
desejada para essas medidas. Neste trabalho, uma s{\'e}rie de
filmes de Pb0,5Sn0,5Te dopados com diferentes
concentra{\c{c}}{\~o}es de Bi foi crescida por epitaxia de feixe
molecular sobre substratos de BaF2 (111) para o estudo da
influ{\^e}ncia da dopagem nas propriedades el{\'e}tricas e no
comportamento dos estados de superf{\'{\i}}cie. A din{\^a}mica
de crescimento foi analisada in situ por difra{\c{c}}{\~a}o de
el{\'e}trons de alta energia refletidos. Os par{\^a}metros
estruturais das amostras foram investigados por microscopia
eletr{\^o}nica de varredura, difratometria de raios X em alta
resolu{\c{c}}{\~a}o e mapeamento da rede rec{\'{\i}}proca.
Medidas de resistividade e efeito Hall foram realizadas em
fun{\c{c}}{\~a}o da temperatura para se determinar as
propriedades el{\'e}tricas. Assim que o n{\'{\i}}vel de dopagem
de Bi aumenta, uma invers{\~a}o de tipo-p para tipo-n no
car{\'a}ter el{\'e}trico do Pb0,5Sn0,5Te {\'e} observada. Os
resultados demonstram que os {\'a}tomos de Bi entram de forma
substitucional nos s{\'{\i}}tios de metal, levando a uma efetiva
dopagem extr{\'{\i}}nseca tipo-n no cristal de PbSnTe. Para as
an{\'a}lises de superf{\'{\i}}cie, uma s{\'e}rie id{\^e}ntica
de filmes de Pb0,5Sn0,5Te:Bi foi crescida e recoberta com uma
camada protetora de tel{\'u}rio para evitar a
oxida{\c{c}}{\~a}o. Um processo constitu{\'{\i}}do de
sputtering com Ar+ seguido de um recozimento t{\'e}rmico se
mostrou efetivo para a remo{\c{c}}{\~a}o da capa protetora de Te
e a exposi{\c{c}}{\~a}o da superf{\'{\i}}cie primitiva do
filme. Os espectros de fotoemiss{\~a}o resolvidos em {\^a}ngulo
(ARPES) medidos em torno do ponto
\𝛤\𝛤\ na superf{\'{\i}}cie do filme
n{\~a}o dopado mostraram uma dispers{\~a}o parab{\'o}lica da
banda de val{\^e}ncia do volume pr{\'o}xima ao n{\'{\i}}vel de
Fermi, corroborando o car{\'a}ter do tipo-p observado. Os dados
ARPES para a amostra dopada com 0,1% de Bi revelam que o potencial
qu{\'{\i}}mico {\'e} deslocado para cima na dire{\c{c}}{\~a}o
da banda de condu{\c{c}}{\~a}o, consistente com o comportamento
do tipo-n. Os resultados sugerem uma diverg{\^e}ncia entre o
potencial qu{\'{\i}}mico da superf{\'{\i}}cie e do volume na
amostra dopada, que pode ser causada pela difus{\~a}o dos
{\'a}tomos de Te na superf{\'{\i}}cie durante o processo
t{\'e}rmico de dessor{\c{c}}{\~a}o da capa protetora.
Paralelamente, uma estrutura de po{\c{c}}o qu{\^a}ntico de SnTe
entre barreiras do isolante Pb0,9Eu0,1Te foi crescida visando o
estudo do comportamento dos estados de superf{\'{\i}}cie no
SnTe. Medidas de transporte el{\'e}trico mostraram que a
condu{\c{c}}{\~a}o de portadores ocorre somente pela camada de
SnTe, mas n{\~a}o foi poss{\'{\i}}vel evidenciar nenhum efeito
de transporte pelos estados de superf{\'{\i}}cie. Experimentos
de fotocondutividade nessa estrutura de po{\c{c}}o qu{\^a}ntico
iluminada com radia{\c{c}}{\~o}es ultravioleta e infravermelha
revelaram efeitos de fotocondutividade negativa e persistente, que
s{\~a}o explicados pelas taxas de recombina{\c{c}}{\~a}o dos
portadores entre n{\'{\i}}veis de armadilhas. ABSTRACT: The
semiconductor compound Pb(1-x)Sn(x)Te crystallizes in the rock
salt structure. Due to the symmetry of this structure, it has been
classified as a topological crystalline insulator, which presents
metallic surface states in the form of Dirac cones at crystalline
planes of high symmetry. Pb(1-x)Sn(x)Te has an intrinsic p-type
character, which hampers the visualization of the surface states.
An extrinsic doping with n-type material, such as bismuth, is
desirable for these measurements. In this work, a series of
Pb0.5Sn0.5Te films doped with Bi at different levels was grown by
molecular beam epitaxy on (111) BaF2 substrates to study the
influence of doping on electrical properties and on the behavior
of surface states. The growth dynamics was analyzed in situ by
reflected high-energy electron diffraction. The structural
parameters of the samples were investigated by scanning electron
microscopy, high-resolution x-ray diffraction and reciprocal space
mapping. Resistivity and Hall effect measurements were performed
as a function of temperature to determine the electrical
properties. As the Bi doping level increases, an inversion from p-
to n-type is observed on the electrical character of Pb0,5Sn0,5Te.
The results demonstrate that Bi atoms enter substitutional in the
metal sites, leading to an effective extrinsic n-type doping of
PbSnTe crystal. For the surface analyses, an identical series of
Pb0,5Sn0,5Te:Bi films was grown and covered with a Te protecting
layer to avoid oxidation. A process composed of Ar+ sputtering
followed by thermal annealing was found to be effective to remove
the Te cover layer and to expose a pristine film surface. The
angle resolved photoemission spectra (ARPES) acquired around the
\𝛤\𝛤\ point of the undoped film
surface showed a parabolic dispersion of the bulk valence band
close to the Fermi level, corroborating the observed p-type
character. The ARPES data for a sample doped with 0.1% of Bi
reveals that the chemical potential is shifted upwards in the
direction of the conduction band, consistent with n-type behavior.
The results suggest a divergence between surface and bulk chemical
potential in the doped sample, which can be caused by Te atoms
diffusion into the surface during the thermal process to desorb
the cover layer. In parallel, a quantum well structure of SnTe
embedded in two insulating Pb0,9Eu0,1Te barriers was grown in
order to study the behavior of surface states in SnTe. Electrical
transport measurements showed that carrier conduction occurs only
through the SnTe quantum well, but it was not possible to evidence
any transport effect via surface states. Photoconductivity
experiments in this quantum well structure illuminated with
ultraviolet and infrared radiation revealed effects of negative
and persistent photoconductivity, which are explained by carrier
recombination rates between trap levels.",
committee = "Abramof, Eduardo (presidente/orientador) and Rappl, Paulo Henrique
de Oliveira (orientador) and Ferreira, Neidenei Gomes and Okazaki,
Anderson Kenji and Toledo, Rafael Cardoso",
englishtitle = "Properties of crystalline topological insulator PbSnTe epitaxial
films doped with bismuth and SnTe quantum well",
language = "pt",
pages = "94",
ibi = "8JMKD3MGP3W34T/467RMNB",
url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W34T/467RMNB",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "06 maio 2024"
}