The subject of this thesis is the fabrication and characterization of magnetic topological
insulator layers of (V,Bi,Sb)\(_2\)Te\(_3\) exhibiting the quantum anomalous Hall
effect. A major task was the experimental realization of the quantum anomalous
Hall effect, which is only observed in layers with very specific structural,
electronic and magnetic properties. These properties and their influence on the
quantum anomalous Hall effect are analyzed in detail.
First, the optimal conditions for the growth of pure Bi\(_2\)Te\(_3\) and Sb\(_2\)Te\(_3\) crystal
layers and the resulting structural quality are studied. The crystalline quality of
Bi\(_2\)Te\(_3\) improves significantly at higher growth temperatures resulting in a small
mosaicity-tilt and reduced twinning defects. The optimal growth temperature is
determined as 260\(^{\circ}\)C, low enough to avoid desorption while maintaining a high
crystalline quality.
The crystalline quality of Sb\(_2\)Te\(_3\) is less dependent on the growth temperature.
Temperatures below 230\(^{\circ}\)C are necessary to avoid significant material desorption,
though. Especially for the nucleation on Si(111)-H, a low sticking coefficient is
observed preventing the coalescence of islands into a homogeneous layer.
The influence of the substrate type, miscut and annealing sequence on the growth
of Bi\(_2\)Te\(_3\) layers is investigated. The alignment of the layer changes depending on
the miscut angle and annealing sequence: Typically, layer planes align parallel to
the Si(111) planes. This can enhance the twin suppression due to transfer of the
stacking order from the substrate to the layer at step edges, but results in a step
bunched layer morphology. For specific substrate preparations, however, the layer
planes are observed to align parallel to the surface plane. This alignment avoids
displacement at the step edges, which would cause anti-phase domains. This results
in narrow Bragg peaks in XRD rocking curve scans due to long-range order in
the absence of anti-phase domains. Furthermore, the use of rough Fe:InP(111):B
substrates leads to a strong reduction of twinning defects and a significantly reduced
mosaicity-twist due to the smaller lattice mismatch.
Next, the magnetically doped mixed compound V\(_z\)(Bi\(_{1−x}\)Sb\(_x\))\(_{2−z}\)Te\(_3\) is studied in
order to realize the quantum anomalous Hall effect. The addition of V and Bi to
Sb\(_2\)Te\(_3\) leads to efficient nucleation on the Si(111)-H surface and a closed, homogeneous
layer. Magneto-transport measurements of layers reveal a finite anomalous
Hall resistivity significantly below the von Klitzing constant. The observation of
the quantum anomalous Hall effect requires the complete suppression of parasitic
bulklike conduction due to defect induced carriers. This can be achieved by optimizing
the thickness, composition and growth conditions of the layers.
The growth temperature is observed to strongly influence the structural quality.
Elevated temperatures result in bigger islands, improved crystallographic orientation
and reduced twinning. On the other hand, desorption of primarily Sb is
observed, affecting the thickness, composition and reproducibility of the layers.
At 190\(^{\circ}\)C, desorption is avoided enabling precise control of layer thickness and
composition of the quaternary compound while maintaining a high structural
quality.
It is especially important to optimize the Bi/Sb ratio in the (V,Bi,Sb)\(_2\)Te\(_3\) layers,
since by alloying n-type Bi\(_2\)Te\(_3\) and p-type Sb\(_2\)Te\(_3\) charge neutrality is achieved at
a specific mixing ratio. This is necessary to shift the Fermi level into the magnetic
exchange gap and fully suppress the bulk conduction. The Sb content x furthermore
influences the in-plane lattice constant a significantly. This is utilized to
accurately determine x even for thin films below 10 nm thickness required for the
quantum anomalous Hall effect. Furthermore, x strongly influences the surface
morphology: with increasing x the island size decreases and the RMS roughness
increases by up to a factor of 4 between x = 0 and x = 1.
A series of samples with x varied between 0.56-0.95 is grown, while carefully
maintaining a constant thickness of 9 nm and a doping concentration of 2 at.% V.
Magneto-transport measurements reveal the charge neutral point around x = 0.86
at 4.2 K. The maximum of the anomalous Hall resistivity of 0.44 h/e\(^2\) is observed
at x = 0.77 close to charge neutrality. Reducing the measurement temperature
to 50 mK significantly increases the anomalous Hall resistivity. Several samples
in a narrow range of x between 0.76-0.79 show the quantum anomalous Hall effect
with the Hall resistivity reaching the von Klitzing constant and a vanishing
longitudinal resistivity. Having realized the quantum anomalous Hall effect as the
first group in Europe, this breakthrough enabled us to study the electronic and
magnetic properties of the samples in close collaborations with other groups.
In collaboration with the Physikalisch-Technische Bundesanstalt high-precision
measurements were conducted with detailed error analysis yielding a relative de-
viation from the von Klitzing constant of (0.17 \(\pm\) 0.25) * 10\(^{−6}\). This is published
as the smallest, most precise value at that time, proving the high quality of the
provided samples. This result paves the way for the application of magnetic topological
insulators as zero-field resistance standards.
Non-local magneto-transport measurements were conducted at 15 mK in close
collaboration with the transport group in EP3. The results prove that transport
happens through chiral edge channels. The detailed analysis of small anomalies in
transport measurements reveals instabilities in the magnetic phase even at 15 mK.
Their time dependent nature indicates the presence of superparamagnetic contributions
in the nominally ferromagnetic phase.
Next, the influence of the capping layer and the substrate type on structural properties
and the impact on the quantum anomalous Hall effect is investigated. To
this end, a layer was grown on a semi-insulating Fe:InP(111)B substrate using the
previously optimized growth conditions. The crystalline quality is improved significantly
with the mosaicity twist reduced from 5.4\(^{\circ}\) to 1.0\(^{\circ}\). Furthermore, a layer
without protective capping layer was grown on Si and studied after providing sufficient
time for degradation. The uncapped layer on Si shows perfect quantization,
while the layer on InP deviates by about 5%. This may be caused by the higher
crystalline quality, but variations in e.g. Sb content cannot be ruled out as the
cause. Overall, the quantum anomalous Hall effect seems robust against changes
in substrate and capping layer with only little deviations.
Furthermore, the dependence of the quantum anomalous Hall effect on the thickness
of the layers is investigated. Between 5-8 nm thickness the material typically
transitions from a 2D topological insulator with hybridized top and bottom surface
states to a 3D topological insulator. A set of samples with 6 nm, 8 nm, and
9 nm thickness exhibits the quantum anomalous Hall effect, while 5 nm and 15 nm
thick layers show significant bulk contributions. The analysis of the longitudinal
and Hall conductivity during the reversal of magnetization reveals distinct differences
between different thicknesses. The 6 nm thick layer shows scaling consistent
with the integer quantum Hall effect, while the 9 nm thick layer shows scaling expected
for the topological surface states of a 3D topological insulator. The unique
scaling of the 9 nm thick layer is of particular interest as it may be a result of
axion electrodynamics in a 3D topological insulator.
Subsequently, the influence of V doping on the structural and magnetic properties
of the host material is studied systematically. Similarly to Bi alloying, increased
V doping seems to flatten the layer surface significantly. With increasing V content,
Te bonding partners are observed to increase simultaneously in a 2:3 ratio
as expected for V incorporation on group-V sites. The linear contraction of the
in-plane and out-of-plane lattice constants with increasing V doping is quantitatively
consistent with the incorporation of V\(^{3+}\) ions, possibly mixed with V\(^{4+}\)
ions, at the group-V sites. This is consistent with SQUID measurements showing
a magnetization of 1.3 \(\mu_B\) per V ion.
Finally, magnetically doped topological insulator heterostructures are fabricated
and studied in magneto-transport. Trilayer heterostructures with a non-magnetic
(Bi,Sb)\(_2\)Te\(_3\) layer sandwiched between two magnetically doped layers are predicted
to host the axion insulator state if the two magnetic layers are decoupled and in
antiparallel configuration. Magneto-transport measurements of such a trilayer heterostructure
with 7 nm undoped (Bi,Sb)\(_2\)Te\(_3\) between 2 nm thick layers doped with
1.5 at.% V exhibit a zero Hall plateau representing an insulating state. Similar results
in the literature were interpreted as axion insulator state, but in the absence
of a measurement showing the antiparallel magnetic orientation other explanations
for the insulating state cannot be ruled out.
Furthermore, heterostructures including a 2 nm thin, highly V doped layer region
show an anomalous Hall effect of opposite sign compared to previous samples. A
dependency on the thickness and position of the doped layer region is observed,
which indicates that scattering at the interfaces causes contributions to the anomalous
Hall effect of opposite sign compared to bulk scattering effects.
Many interesting phenomena in quantum anomalous Hall insulators as well as axion
insulators are still not unambiguously observed. This includes Majorana bound
states in quantum anomalous Hall insulator/superconductor hybrid systems and
the topological magneto-electric effect in axion insulators. The limited observation
temperature of the quantum anomalous Hall effect of below 1 K could be increased
in 3D topological insulator/magnetic insulator heterostructures which utilize the
magnetic proximity effect.
The main achievement of this thesis is the reproducible growth and characterization
of (V,Bi,Sb)2Te3 layers exhibiting the quantum anomalous Hall effect. The
detailed study of the structural requirements of the quantum anomalous Hall effect
and the observation of the unique axionic scaling behavior in 3D magnetic
topological insulator layers leads to a better understanding of the nature of this
new quantum state. The high-precision measurements of the quantum anomalous
Hall effect reporting the smallest deviation from the von Klitzing constant
are an important step towards the realization of a zero-field quantum resistance
standard. / Das Thema dieser Arbeit ist die Herstellung und Charakterisierung von Schichten
des magnetischen topologischen Isolators (V,Bi,Sb)\(_2\)Te\(_3\), die den Quanten anomalen
Hall-Effekt zeigen. Die Hauptaufgabe war die experimentelle Realisierung
des Quanten anomalen Hall-Effekts, welcher nur in Schichten mit bestimmten
strukturellen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften beobachtet wird.
Diese Eigenschaften wurden ermittelt und ihr Einfluss genau analysiert.
Als Erstes wurden die optimalen Bedingungen für das Wachstum von reinen
Bi\(_2\)Te\(_3\) und Sb\(_2\)Te\(_3\) Kristallschichten und die resultierende strukturelle Qualität
untersucht. Die kristalline Qualität von Bi\(_2\)Te\(_3\) verbessert sich signifikant bei hohen
Wachstumstemperaturen, welche die Neigung der Domänen verringern und
Zwillingsdefekte reduzieren. Als optimale Wachstumstemperatur wurde 260\(^{\circ}\)C
ermittelt, ausreichend niedrig um Desorption zu vermeiden während eine hohe
Kristallqualität erhalten bleibt.
Die Wachstumstemperatur von Sb\(_2\)Te\(_3\) hat einen geringeren Einfluss auf die Kristallqualität.
Temperaturen unter 230\(^{\circ}\)C sind allerdings nötig um erhebliche Desorption
zu vermeiden. Ein geringer Haftkoeffizient wurde besonders bei der Nukleation
auf der Si(111)-H Oberfläche beobachtet und verhindert das Zusammenwachsen
von Inseln zu einer homogenen Schicht.
Der Einfluss des Substrattyps, der Fehlorientierung der Oberfläche und der Ausheizsequenz
auf das Wachstum von Bi\(_2\)Te\(_3\) Schichten wurde untersucht. Die Ausrichtung
der Schicht ändert sich je nach Winkel der Fehlorientierung und der
Ausheilsequenz: Typischerweise orientieren sich die Ebenen der Schicht parallel zu
den Si(111) Ebenen, was aufgrund des Transfers der Stapelfolge vom Substrat zur
Schicht an den Stufenkanten die Unterdrückung von Zwillingsdefekte verbessert.
Andererseits führt diese Orientierung zu Anti-Phasen-Domänen durch die Verschiebung
an den Stufenkanten und zu einer gestuften Oberflächenmorphologie.
Für bestimmte Substratpräparationen richtet sich die Schicht jedoch parallel zur
Oberfläche aus. Diese Orientierung verhindert Verschiebungen an Stufenkanten
und damit Anti-Phasen-Domänen. Dies führt aufgrund der langreichweitigen Ordnung
zu sehr schmalen Bragg-Reflexen in XRD rocking curve Diffraktogrammen.
Weiterhin führen raue Fe:InP(111):B Substrate zu einer starken Unterdrückung
von Zwillingsdefekten und aufgrund der besseren Gitteranpassung zu einer deutlich
verringerten Verdrehung der Domänen.
Als Nächstes wurde das magnetisch dotierte V\(_z\)(Bi\(_{1−x}\)Sb\(_x\))\(_{2−z}\)Te\(_3\) untersucht mit
dem Ziel den Quanten anomalen Hall-Effekt zu realisieren. Die Zugabe von V und
Bi zu Sb\(_2\)Te\(_3\) führt zu einer effizienten Nukleation auf der Si(111)-H Oberfläche
und einer geschlossenen, homogenen Schicht. Magnetotransport Messungen der
Schichten ergeben einen messbaren anomalen Hall-Widerstand deutlich unter der
von-Klitzing-Konstanten. Die Beobachtung des Quanten anomalen Hall-Effekts
setzt eine vollständige Unterdrückung der defekt-induzierten, parasitären Leitfähigkeit
im Inneren der Schicht voraus. Dies kann durch die Optimierung der
Dicke, Zusammensetzung und Wachstumsbedingungen der Schicht erreicht werden.
Beobachtungen zeigen, dass die Wachstumstemperatur die strukturelle Qualität
stark beeinflusst. Erhöhte Temperaturen erzielen größere Inseln, eine verbesserte
kristalline Orientierung und weniger Zwillingsdefekte. Andererseits wird Desorption
von überwiegend Sb beobachtet, was sich auf die Dicke, Zusammensetzung
und Reproduzierbarkeit der Schichten auswirkt. Bei 190\(^{\circ}\)C kann Desorption vermieden
werden, was eine präzise Kontrolle über Schichtdicke und Zusammensetzung
des quaternären Verbunds ermöglicht, während eine hohe strukturelle Qualität
erhalten bleibt.
Es ist besonders wichtig das Bi/Sb Verhältnis zu optimieren, da durch das Legieren
des n-Typ Bi\(_2\)Te\(_3\) mit dem p-Typ Sb\(_2\)Te\(_3\) bei einem bestimmten Verhältnis Ladungsneutralität
erzielt wird. Dies ist nötig um die Leitung im Inneren der Schicht
vollständig zu unterdrücken und die Fermikante in die magnetische Austauschlücke
zu schieben. Der Sb Gehalt x beeinflusst außerdem die Gitterkonstante a in der
Ebene deutlich, im Gegensatz zur Gitterkonstante c in Wachstumsrichtung. Mit
Hilfe dieses Zusammenhangs kann x selbst in dünnen Schichten unter 10 nm Dicke,
wie sie für den Quantum anomalen Hall-Effekt benötigt werden, genau bestimmt
werden. Der Sb Gehalt x beeinflusst weiterhin die Oberflächenmorphologie deutlich:
mit steigenden x verringert sich die Inselgröße und die RMS Rauigkeit wächst
um bis zu einem Faktor 4 zwischen x = 0 und x = 1.
Eine Probenserie mit x zwischen 0,56−0,95 wurde hergestellt, wobei darauf geachtet
wurde eine konstante Dicke von 9 nm und eine Dotierkonzentration von 2 at.%
V beizubehalten. Magnetotransport Messungen bei 4,2K zeigen Ladungsneutra-
lität bei x = 0,86. Der maximale anomale Hall-Widerstand von 0,44 h/e\(^2\) wird
bei x = 0,77 nahe der Ladungsneutralität beobachtet. Wird die Messtemperatur
auf 50 mK reduziert, steigt der anomale Hall-Widerstand signifikant an. Mehrere
Proben mit x in einem schmalen Bereich von 0,76−0,79 zeigen den Quanten
anomalen Hall-Effekt mit einem Hall-Widerstand, der die von-Klitzing-Konstante
erreicht, und verschwindendem longitudinalen Widerstand. Die Realisierung des
Quantum anomalen Hall-Effekts als erste Gruppe in Europa ermöglichte es uns
die elektrischen und magnetischen Eigenschaften der Proben in Zusammenarbeit
mit anderen Gruppen zu untersuchen.
In Kollaboration mit der Physikalisch-Technische Bundesanstalt wurden Hochpräzisionsmessungen
mit detaillierter Fehleranalyse durchgeführt und eine relative
Abweichung von der von-Klitzing-Konstante von (0,17\(\pm\)0,25)*10\(^{−6}\) erzielt. Dieser
Wert wurde als kleinster und genauester Wert publiziert, was die hohe Qualität
der zur Verfügung gestellten Proben zeigt. Dieses Ergebnis ebnet den Weg für die
Anwendung von magnetischen topologischen Isolatoren als Widerstand Standards
ohne Magnetfeld.
In enger Zusammenarbeit mit der Transport Gruppe in der EP3 wurden nichtlokale
Magnetotransport Messungen bei 15mK durchgeführt. Das Ergebnis beweist,
dass Transport durch chirale Randkanäle erfolgt. Die detaillierte Analyse
kleiner Anomalien in Transport Messungen offenbart Instabilitäten in der magnetischen
Phase selbst bei 15 mK. Der zeitabhängige Charakter dieser Anomalien
weist auf superparamagnetische Anteile in der nominell ferromagnetischen Phase
hin.
Als nächstes wurde der Einfluss der Deckschicht und des Substrattyps auf die
strukturellen Eigenschaften und die Auswirkungen auf den Quanten anomalen
Hall-Effekt untersucht. Dazu wurde eine Schicht auf halbisolierendem Fe:InP(111)B
Substrat unter den zuvor optimierten Wachstumsbedingungen gewachsen. Dies
führt zu einer deutlich erhöhten kristallinen Qualität mit einem verringerten Verdrehungswinkel
von 5,4\(^{\circ}\) auf 1,0\(^{\circ}\). Weiterhin wurde eine Schicht ohne schützende
Deckschicht auf Si gewachsen und, nachdem ausreichend Zeit für mögliche Degradation
vergangen war, gemessen. Die Schicht auf Si ohne Deckschicht zeigt perfekte
Quantisierung, während die Schicht auf InP eine Abweichung von etwa 5%
aufweist. Ursache könnte die höhere kristalline Qualität sein, Variationen in z.B.
Sb Gehalt könnten jedoch auch eine Rolle spielen. Insgesamt scheint der Quanten
anomale Hall-Effekt robust gegenüber Änderungen des Substrats und der
Deckschicht zu sein.
Des Weiteren wurde die Abhängigkeit des Quanten anomalen Hall-Effekts von
der Schichtdicke untersucht. Zwischen 5−8 nm Dicke wechselt das Material typischerweise
von einem 2D topologischen Isolator mit hybridisierten oberen und
unteren Oberflächenzustand zu einem 3D topologischen Isolator. Eine Probenreihe
mit 6 nm, 8 nm und 9 nm Schichtdicke zeigt den Quanten anomalen Hall-
Effekt, während 5 nm und 15 nm dicke Schichten deutliche Beiträge aus dem Volumen
haben. Die Analyse der longitudinalen- und Hall-Leitfähigkeit während der
Umkehrung der Magnetisierung offenbart eindeutige Unterschiede. Die 6 nm dicke
Schicht zeigt ein Skalierungsverhalten konsistent mit dem ganzzahligen Quanten-
Hall-Effekt, die 9 nm dicke Schicht dagegen zeigt das erwartete Skalierungsverhalten
für die topologischen Oberflächenzustände eines 3D topologischen Isolators.
Das besondere Skalierungsverhalten der 9 nm dicken Schicht ist von besonderem
Interesse, da es der axionischen Elektrodynamik in einem 3D topologischen Isolator
entspringen könnte.
Anschließend wird der Einfluss von V Dotierung auf die strukturellen und magnetischen
Eigenschaften der Schichten systematisch untersucht. Ähnlich wie das
Legieren mit Bi, scheint V Dotieren die Oberfläche deutlich zu glätten. Mit steigenden
V Gehalt erhöht sich die Zahl der Te Bindungspartner simultan im 2:3 Verhältnis,
wie erwartet für den Einbau von V auf Gruppe-V Plätzen. Die lineare Kontraktion
der Gitterkonstanten in der Ebene und senkrecht dazu mit steigender V
Dotierung ist quantitativ konsistent mit dem Einbau von V\(^{3+}\) Ionen, möglicherweise
gemischt mit V\(^{4+}\) Ionen, auf Gruppe-V Plätzen. Dies ist konsistent mit
SQUID Messungen die eine Magnetisierung von 1,3 \(\mu_B\) pro V Ion zeigen.
Schließlich werden magnetisch dotierte topologische Isolator Heterostrukturen hergestellt
und in Magnetotransport Messungen charakterisiert. Der Axion-Isolator
Zustand wurde in dreischichtigen Heterostrukturen mit einer nichtmagnetischen
(Bi,Sb)\(_2\)Te\(_3\) Lage zwischen zwei magnetischen Schichten vorhergesagt, falls die
beiden magnetischen Lagen entkoppelt sind und in antiparalleler Ausrichtung vorliegen.
Magnetotransport Messungen solcher dreischichtigen Heterostrukturen mit
7 nm undotiertem (Bi,Sb)\(_2\)Te\(_3\) zwischen jeweils 2 nm dicken dotierten Schichten
mit 1,5 at.% V zeigen ein Null Hall-Plateau, das einen isolierenden Zustand repräsentiert.
Ähnliche Ergebnisse in der Literatur wurden als Axion-Isolator Zustand
interpretiert, jedoch können andere Erklärungen ohne eine direkten Messung der
antiparallelen magnetischen Orientierung nicht ausgeschlossen werden.
Weiterhin zeigen Heterostrukturen mit einer 2 nm dünnen, hoch V dotierten Schicht
einen anomalen Hall-Effekt mit entgegengesetzten Vorzeichen im Vergleich zu
vorhergehenden Proben. Die Abhängigkeit von der Dicke und Position dieser
Schicht könnte darauf hindeuten, dass Streuprozesse an den Grenzflächen einen
Beitrag zum anomalen Hall-Effekt entgegengesetzt zu den Volumenstreuprozessen
verursachen.
Viele interessante Phänomene in Quanten anomalen Hall Isolatoren sowie Axion-
Isolatoren sind noch nicht eindeutig beobachtet worden. Dies schließt gebundene
Majorana-Zustände in Quanten anomalen Hall Isolator/Supraleiter Hybridsystemen
und den topologischen magneto-elektrischen Effekt in Axion-Isolatoren ein.
Die limitierte Beobachtungstemperatur des Quanten anomalen Hall-Effekts von
unter 1 K könnte in Heterostrukturen aus 3D topologischen Isolator und magnetischen
Isolator Schichten welche den magnetischen Proximity-Effekt nutzen erhöht
werden.
Das wichtigste Ergebnis dieser Arbeit ist das reproduzierbare Wachstum und
die Charakterisierung von (V,Bi,Sb)\(_2\)Te\(_3\) Schichten die den Quanten anomalen
Hall-Effekt zeigen. Die detaillierte Untersuchung der strukturellen Voraussetzungen
und die Beobachtung des besonderen axionischen Skalierungsverhaltens in
3D magnetischen Isolatorschichten führt zu einem besseren Verständnis dieses
neuen Quantenzustands. Die Hochpräzisionsmessungen des Quanten anomalen
Hall-Effekts mit der geringsten Abweichung von der von-Klitzing-Konstanten sind
ein wichtiger Schritt zur Realisierung eines Widerstand-Standards basierend auf
Quantisierung ohne magnetischem Feld.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:21166 |
| Date | January 2020 |
| Creators | Winnerlein, Martin |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_mit_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0147 seconds