Die drei-dimensionalen Topologische Isolatoren Bi2Se3 and Bi2Te3 sind Modell-Systeme einer neuen Klasse von Isolatoren mit metallischen Oberflächenzuständen. Ihre kleinen Bandlücken und die schweren Elemente sind essentiell für die topologisch nicht-triviale Bandstruktur, sind aber ebenso verantwortlich für andere bemerkenswerte Eigenschaften, wie etwa für ihre Leistungsfähigkeit als Thermoelektrika.
Diese Arbeit untersucht die elektronischen Eigenschaften der Topologischen Isolatoren Bi2Se3 und Bi2Te3 mittels zahlreicher experimenteller Methoden. Es wird
gezeigt, dass Ferromagnetismus in Mn gedoptem Bi2Te3 durch sintern unterdrückt
werden kann. Zudem werden ein überraschend großer Magnetoresistiver Effekt
und ein ladungsträgerunabhängiger Vorzeichenwechsel des Seebeck-Koeffizienten mit zunehmenden Mn Gehalt diskutiert. Kernmagnetische Resonanz (NMR) von 125Te Kernen in Bi2Te3 Einkristallen lässt auf eine ungewöhnliche elektronische SpinSuszeptibilität and komplexe NMR Verschiebungen schließen. Es wird gezeigt dass die Quadrupolwechselwirkung von 209Bi Kernen in Bi2Se3 Einkristallen eine Signatur der Bandinversion ist, in quantitativer Ubereinstimmung mit DFT Rechnungen. Weiterhin wird argumentiert dass die starke Spin-Bahn Kopplung der Leitungselektronen zu einer nicht-trivialen Orientierungsabh¨angigkeit der 209Bi Quadrupolaufspaltung führt.:Contents
List of Figures
List of Tables
List of abbreviations
Introduction
1 Topological insulators in three dimensions
2 Theoretical background
3 Methods I: structural, electronic and magnetic properties
4 Methods II: nuclear magnetic resonance
5 Sample preparation and basic characterisation6 Magnetic and electronic properties of Mn doped Bi2Te3
7 NMR of spin 1/2 nuclei: 125Te in Bi2Te3
8 NMR of quadrupole nuclei: 209Bi in Bi2Se3
Conclusions and outlook
Appendix
Bibliography / The three-dimensional topological insulators Bi2Se3 and Bi2Te3 are model systems
of a new class of materials with an insulating bulk and gapless surface states. Their
small band gaps and the heavy elements are essential for the topologically non-trivial band structure, but these features are similarly responsible for other remarkable properties, such as their high thermoelectric performance.
This thesis investigates the electronic properties of the topological insulators
Bi2Se3 and Bi2Te3 with a broad range of experimental methods. Ferromagnetism
in Mn doped Bi2Te3 is shown to disappear under sample sintering. A surprisingly
large magnetoresistance and a charge carrier independent change in the sign of
the thermopower with increasing Mn content are discussed.125Te nuclear magnetic
resonance (NMR) of Bi2Te3 single crystals suggest an unusual electronic spin susceptibility and complex NMR shifts. The quadrupole interaction of 209Bi nuclei in
Bi2Se3 single crystals is shown to be a signature of the band inversion in quantitative agreement with first-principle calculations. Furthermore, it is proposed that the strong spin-orbit coupling of conduction electrons causes a non-trivial orientation dependent quadrupole splitting of the 209Bi resonance.:Contents
List of Figures
List of Tables
List of abbreviations
Introduction
1 Topological insulators in three dimensions
2 Theoretical background
3 Methods I: structural, electronic and magnetic properties
4 Methods II: nuclear magnetic resonance
5 Sample preparation and basic characterisation6 Magnetic and electronic properties of Mn doped Bi2Te3
7 NMR of spin 1/2 nuclei: 125Te in Bi2Te3
8 NMR of quadrupole nuclei: 209Bi in Bi2Se3
Conclusions and outlook
Appendix
Bibliography
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:37768 |
| Date | 22 January 2020 |
| Creators | Gühne, Robin |
| Contributors | Universität Leipzig, Victoria University of Wellington |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/acceptedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | https://doi.org/10.1016/j.jmr.2019.03.008 |
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