SnTe薄膜中狄拉克费米子的微波吸收探测

《Advanced Materials Interfaces》：Microwave Absorption for Detection of Dirac Fermions in SnTe Films

　　

本研究利用微波吸收作为探针，对SnTe薄膜中狄拉克费米子的存在性进行了研究。研究人员分析了未覆盖和覆盖BaF₂保护层的样品中，微波吸收信号观测到的Shubnikov–de Haas (SdH) 振荡。其中，BaF₂盖层用于保护拓扑表面态（TSS）免受降解。令人意外的是，尽管先前的磁输运测量未显示其存在，但在未覆盖样品中也检测到了狄拉克费米子的特征。这一发现为拓扑表面态在应对大气暴露导致的退化方面具有鲁棒性提供了有力证据，并表明即使在输运测量无法探测到这些状态时，微波吸收测量也能将其揭示。此外，在振荡的快速傅里叶变换（FFT）中观测到了塞曼分裂（Zeeman splitting），这表明存在仅在较高磁场下才能被探测到的低迁移率通道。

拓扑材料因其在新技术中巨大的应用潜力而引起了科学界的广泛关注。这类量子材料的电子特性受拓扑不变量保护，从而使其电子能带结构产生出不易受无序、杂质或材料平滑形变影响的稳健且奇异的物理性质。拓扑绝缘体的特征性拓扑表面态能够表现出天然自旋极化电流，可直接应用于自旋电子学。此外，一些拓扑材料承载着模拟高能物理粒子的准粒子，如狄拉克费米子、外尔费米子（两者均称为拓扑半金属）和马约拉纳零能模，但存在于凝聚态环境中。这些材料奇异的能带结构揭示了广泛的应用前景，包括超低能耗晶体管、自旋电子学、量子计算、拓扑光子学和电信领域。例如，太赫兹光子探测受限于毫米级太赫兹波长与纳米级器件特征之间的巨大失配导致的光-物质相互作用微弱，这引起了耦合效率低下、高功耗和噪声增加。拓扑材料通过实现低能太赫兹光子的高效吸收，提供了一种有前景的解决方案。事实上，近期工作已成功证实了超薄拓扑材料相变用于太赫兹探测的潜力，并获得了低噪声信号。然而，研究已验证量子材料在暴露于环境条件时可能失去其拓扑特性，导致因氧化而发生的形貌退化。这阻碍了此类材料在实际功能器件中的应用，除非集成保护机制。
磁输运测量是探测高迁移度样品中拓扑状态的有力工具。通常可观测到Shubnikov–de Haas振荡，它允许提取重要参数，如载流子迁移率、Berry相位（ψ）和载流子浓度，从而详细描述体态和拓扑态通道。对于拓扑绝缘体，拓扑表面态以表面狄拉克点为特征，可通过理论模型提取的Berry相位来确定。对于暴露在大气中的样品，SnTe中获得的Berry相位表明不存在拓扑表面态。
SnTe在拓扑材料中具有独特性质。它被归类为拓扑晶体绝缘体（TCI），其无能隙表面态受晶体结构的镜面对称性保护。其晶体结构在低温下可发生从立方到菱面的结构转变，随后沿[111]方向发生畸变，伴随着铁电极化，由于空间反演对称性破缺而提升了能谷简并度。这些综合效应影响了该材料的拓扑相，引发了受拓扑保护的外尔半金属和节线半金属相。事实上，通过改变Sn含量或掺杂来改变SnTe晶体结构中的极化，可以表现出多种拓扑相。通过精确控制极化，可以调控外尔、狄拉克和TCI相，这使得SnTe成为观察奇异拓扑性质的卓越平台。
在本研究中，研究人员对覆盖层样品（BaF₂/SnTe/BaF₂）和未覆盖层样品（SnTe/BaF₂）进行了微波吸收测量。他们从微波振幅中观测到的SdH振荡中提取了Berry相位。事实上，正如预期，在保护了拓扑态免受环境扰动影响的覆盖层样品中发现了狄拉克费米子。令人意外的是，在没有保护层的样品中也发现了狄拉克费米子，这在磁输运测量中是无法实现的。这有力地证明了拓扑态在未覆盖样品中得以保存，但无法通过输运测量检测到，从而提供了一种新的方法，即使在暴露于空气中的样品中也能探测狄拉克费米子。
在本研究中，研究人员采用分子束外延（MBE）技术生长所研究的样品，具体生长细节见参考文献[31]。霍尔效应测量使用Quantum Design公司的物理性质测量系统（PPMS）进行，该系统包含一个可达9 T的氦冷却超导磁体系统，工作温度范围为1.9–400 K。样品电接触采用van der Pauw几何形状，使用铟丸焊接的金线。研究采用了标准的四探针交流锁相技术，恒定激励电流为100 μA。亚太赫兹（sub-THz）频率的微波吸收研究在自制的高频快速扫描电子顺磁共振波谱仪（THz-FRASCAN-ESR）上进行。微波由合成器（Virginia Diodes，美国夏洛茨维尔）产生，并通过放大器-倍频链（Virginia Diodes，美国夏洛茨维尔）调谐至所需频率。微波在自由空间中传播，并通过准光学系统（Thomas Keating，英国比林斯赫斯特）和波纹波导聚焦到样品上。微波频率为99.9和319.5 GHz，入射功率通常小于1 mW。样品置于可变温度插件中，工作温度范围为1.9–300 K，磁场由螺线管低温磁体（Cryogenic，英国伦敦）施加，最高达15 T。磁场扫描速率为2 mT/s。采用外差检测与磁场调制，调制频率和幅度分别为3.2 kHz和10 G。为了表面分析，在超高真空（UHV）条件下使用Axis Supra系统（Kratos Analytical，英国曼彻斯特）在室温下进行了X射线光电子能谱（XPS）测量。该仪器配备有单色Al Kα辐射源（hν = 1486.6 eV）和半球形分析器，能够进行高分辨率和高灵敏度的表面化学分析。在整个数据采集过程中，样品分析室（SAC）的基础压力维持在10^-9 torr以下。样品用双面导电铜带安装在样品架上，以确保可靠的电接触并最大限度减少充电效应。在0–1200 eV的结合能范围内收集宽范围扫描，通过能为80 eV，步长为1 eV。Sn 3d、Te 3d、Ba 3d、F 1s、O 1s和C 1s区域的高分辨谱采用20 eV的通过能和0.1 eV的步长采集。数据处理和峰拟合使用CasaXPS软件版本2.3.17PR1.1（Casa Software Ltd，英国廷茅斯）进行，使用Shirley背景和高斯-洛伦兹（GL）线形。所有结合能均相对于C 1s峰（284.8 eV）进行校准。
图1a所示的XPS全谱证实，未覆盖层（SnTe/BaF₂）和覆盖层（BaF₂/SnTe/BaF₂）样品均含有源自SnTe层的锡（Sn）和碲（Te）。在覆盖层样品中，观察到Ba 3d（~780和795 eV）和F 1s（~684 eV）的强信号，与BaF₂的存在一致，而这些峰在未覆盖样品中不存在。由于5 nm BaF₂覆盖层的存在，覆盖层薄膜中Sn 3d和Te 3d信号的强度被强烈衰减，而在未覆盖样品中，Sn和Te主导了光谱，这与SnTe层在没有覆盖层的情况下直接暴露于空气相符。两个样品都表现出O 1s（~531 eV）和C 1s（284.8 eV）峰，分别来源于表面氧化物和吸附碳污染。然而，对Sn 3d、Te 3d、Ba 3d和F 1s的高分辨率分析表明，在缺乏保护层的情况下，表面存在显著的氧化。覆盖层和未覆盖样品之间Sn⁴⁺/Sn²⁺分布的差异证明了BaF₂层在减少表面氧化和保留SnTe薄膜化学活性的低氧化态方面的保护作用。因此，BaF₂覆盖层充当氧气的扩散屏障，限制了氧化程度并稳定了埋藏的SnTe。然而，覆盖层样品中可检测到氧化物组分表明氧化并未被完全阻止；但其进程被显著减缓。因此，BaF₂覆盖增强了SnTe薄膜的长期化学稳定性，减少了氧气扩散并保留了固有的化学状态。图1b展示了SnTe的原子结构，显示了室温下的面心立方（fcc）结构，由两个相互贯穿的fcc结构组成，其中每个Sn原子被6个Te原子八面体配位，反之亦然。图1c展示了SnTe能带结构的示意图，其中能隙位于布里渊区的L点。由于强的自旋-轨道耦合，能带发生反转，如图所示，L₆⁺位于导带，L₆^-位于价带。
图2a展示了SnTe/BaF₂和BaF₂/SnTe/BaF₂（分别为未覆盖和覆盖层）样品在2.0 K下由微波吸收获得的SdH振荡，作为1/B的函数。未覆盖样品表现出比覆盖层样品更高振幅的SdH振荡。乍一看，这可能表明在SnTe薄膜上生长覆盖层过程中，无序导致电载流子迁移率降低；然而，霍尔测量显示覆盖层样品的载流子迁移率约为3000 cm²/Vs，而未覆盖样品约为2000 cm²/Vs。覆盖层样品中观察到的更高迁移率表明，暴露于大气可能通过自然氧化物的形成影响样品表面，这反过来降低了样品质量。另一方面，覆盖层样品的载流子浓度约为~4 × 10²⁰ cm^-3，而未覆盖样品为~1.3 × 10²¹ cm^-3。一个数量级的差异可能导致覆盖层样品中观测到的微波吸收信号减弱。附加输运通道的出现也可能是两个样品中SdH振荡轮廓差异的原因，这一点将在后文显示。
为了研究源自体态和拓扑表面态的输运通道，研究人员对图2a中所示的振荡进行了快速傅里叶变换（FFT）分析。如图2b所示，对于SnTe/BaF₂样品，获得的频率为f₀ = 84 T，f₁ = 142 T，f₂ = 160 T和f₃ = 289 T。对于BaF₂/SnTe/BaF₂样品，频率为f₀ = 75 T，f₁ = 152 T和f₂ = 199 T。研究人员观察到152和199 T的频率可能源于高磁场下的塞曼分裂。为了验证这一假设，他们在4.2 K下进行了磁输运测量，其中也存在SdH振荡，如图2c所示。在该图中，他们绘制了磁场垂直（红色曲线）和平行（黑色曲线）于样品表面的SdH振荡（见插图）。回旋能量（Cyclotron energy）对磁场垂直于样品表面的分量敏感，而塞曼能量（Zeeman energy）则取决于施加的总磁场。因此，当增加角度减小垂直分量θ时，回旋能量减小，塞曼分裂变得更加明显（见虚线）。这些塞曼分裂产生了仅在高磁场下才能被探测到的低迁移率通道。他们还发现，塞曼分裂在未覆盖样品中也存在，如图2d所示，但在图2b所示的FFT中未被分辨出来。
输运通道可能源自体态或拓扑表面态。为了探测拓扑和体态通道的存在，通常应用Lifshitz–Kosevich方程来分析磁阻曲线中的SdH振荡。对于微波吸收测量，微波吸收振幅作为磁场的函数，与纵向电导率的实部成正比，A(B) = f_MWσ_xx(B)，可表示为：A(B) = f_MW[σ₀/(1+(ω_cτ_t)²)] * [1+(ω_cτ_t)²/(1+(ω_cτ_t)²)] * 4D(x)exp[-π/(ω_cτ_t)] * cos[2π(E_F/(?ω_c) - 1/2 + ψ)]。其中f_MW是一个取决于几何效应和零场电导率的拟合参数，ω_c是回旋频率（ω_c = eB/m_eff），τ_t是输运散射时间，E_F = (?²k_F²/2m_eff)是费米能，ψ是Berry相位，D(x)是温度阻尼项，由D(x) = [2π²k_BT/?ω_c] / sinh[2π²k_BT/?ω_c]给出。使用方程(1)对实验数据进行的拟合结果如图3a,b所示，通过添加振荡分量A₁(B) + A₂(B) + A₃(B)获得了最佳拟合。频率由Onsager关系f = (?/2πe)πk_F²计算。在图3a中，可以观察到对BaF₂/SnTe/BaF₂进行的拟合能够合理准确地重现曲线轮廓。在图3b中，拟合与SnTe/BaF₂样品中测得的振荡非常吻合。从这些拟合中，可以提取振荡的频率分量，并与FFT方法得到的结果进行比较。
表1展示了从图3所示拟合以及FFT中提取的BaF₂/SnTe/BaF₂和SnTe/BaF₂样品的频率值，以及相应的Berry相位。可以观察到，从拟合获得的频率值与从FFT提取的数值非常一致，如前所述。
SdH振荡可能源自体态或拓扑表面态通道。为了探究这种起源，Berry相位也从拟合中提取。如引言中所述，由于TSS因接触空气而退化，预计未覆盖样品中不存在狄拉克费米子。在先前的研究中，研究人员表明，磁输运测量仅在覆盖的SnTe样品中探测到狄拉克费米子的存在，而在未覆盖样品中则不存在。为此，他们发现覆盖层样品中较低频率对应的Berry相位ψ接近0.5，该频率归因于狄拉克费米子。对于未覆盖样品，他们发现所有频率的ψ都接近1，归因于源自体态通道的普通费米子。事实上，在本工作中使用微波吸收研究的覆盖层样品，他们发现ψ₀ = 0.52 ± 0.01，证实了狄拉克费米子的存在，正如输运测量所观察到的。令人意外的是，他们发现未覆盖样品的ψ₀ = 0.70 ± 0.01，如表1所示，揭示了狄拉克费米子也存在。这表明样品表面的退化阻碍了使用输运测量来探测狄拉克费米子。另一方面，微波可以被样品表面TSS仍然完好的区域吸收。众所周知，样品不均匀性会导致电输运测量与微波吸收之间产生巨大差异。输运测量倾向于通过有利的导电通道进行以避免可能的不均匀性，而微波吸收测量则包含了样品所有区域的贡献。因此，研究人员发现TSS仍然存在于暴露于大气中的SnTe样品中，但无法通过输运测量检测到。在这种情况下，微波吸收更适合于探测暴露于大气中的样品中的狄拉克费米子。
本研究采用微波吸收实验探测SnTe样品中的狄拉克费米子。研究结果表明，与电输运测量形成对比，微波吸收即使在暴露于大气中的样品中也能探测到狄拉克费米子。塞曼分裂的进一步观测揭示了仅在高磁场下才可见的低迁移率输运通道的存在。尽管拓扑表面态在环境退化下得以保持，但它们无法通过需要高迁移率导电路径的电输运测量来获取。这些发现表明，微波吸收能够探测由于大气暴露导致表面退化的样品中的狄拉克费米子。因此，该技术在常规输运测量失效时，为表征拓扑表面态提供了一种稳健、无损的方法。这种能力在器件制造过程中的质量控制方面尤为重要，因为氧化、污染或老化常常会损害表面迁移率。