- obiecte
- abstract
- introducere
- metode
- Disponibilitatea datelor
- Informatii suplimentare
- Documente Word
- Informatii suplimentare
- Comentarii
obiecte
abstract
Prezentăm un studiu al structurii și compoziției chimice a unui izolator topologic 3D dopat cu Cr Bi 2 Se 3. Filmele subțiri monocristaline au fost cultivate prin epitaxie cu fascicul molecular pe Al 2 O 3 (0001) și proprietățile lor structurale și chimice au fost determinate la nivel atomic prin microscopie electronică cu transmisie de transmisie prin scanare și spectroscopie de pierdere de energie electronică. Stivuirea regulată a filmelor Bi2 Se3 constă din straturi cvadruple, cu excepția primelor câteva straturi atomice din creșterea inițială. Datele spectroscopice oferă dovezi directe că Cr în gazda Bi2 Se3 înlocuiește preferențial Bi. Arătăm, de asemenea, că Cr tinde să se separe la limitele grânelor interioare ale boabelor Bi 2 Se 3 .
Localizarea dopanților în matricea Bi-calcogenidă este foarte dependentă de tipul de dopant, de ex. Din raza sa ionică și capacitatea de a forma compuși calcogenidici nedoriti, din concentrație și din condițiile de creștere. În Cr: Bi 2 Se 3, dopanții pot înlocui Bi sau pot încorpora între QL în golul van der Waals 18, 19. Calculele primului principiu prezic că siturile Bi sunt cele mai favorabile puncte energetice de substituție pentru Cr 4, 8. Energia de formare Cr, care se află în decalajul van der Waals, este cu 0,29 eV mai mare comparativ cu scenariul de substituție, iar Cr interstițial în QL este mult mai puțin favorabil 4 .
În această scrisoare, afirmăm că Cr poate fi încorporat în structura Bi 2 SO 3 fără segregare de fază. După cum a prezis calculele, am constatat că Cr este substituit pe site-ul Bi. Demonstrăm în continuare că Cr se poate separa la limitele granulelor, care sunt neapărat prezente în creșterea peliculei subțiri. Această segregare Cr se corelează cu densitatea bobului tăiat. Influența lor asupra stării de suprafață a Bi 2 Se 3 ar depinde de geometria și expansiunea spațială a defectelor limită. Prin reglarea densității defectelor, este posibilă reducerea la minimum a cantității de Cr care segregează, și astfel o distribuție omogenă a Cr ar putea fi realizată în principiu chiar și la concentrații mai mari de dopant Cr.
Pentru a determina locația și distribuția dopanzilor Cr în film, am efectuat măsurători extinse de imagini cu câmp întunecat inelar cu unghi înalt (HAADF) și măsurători cu spectroscopie de pierdere a electronilor cu rezoluție atomică (EELS) în electroni de electroni tranzitori corecți cu aberație. Microscop (STEM). Figura 1a prezintă o vedere în secțiune transversală a unui film subțire Cr: Bi2 Se3 în planul Al 2 O 3 cu mărire redusă a secțiunii transversale a epitaxiei fasciculului molecular (MBE). Imagini HAADF-STEM în funcție de numărul atomic (
Z2) indică clar un film Bi 2 SO 3 (contrast luminos) și un substrat de Al 2 O 3 (zonă mai întunecată). Creșterea peliculei Cr: Bi2S03 (grosime
100 nm) este mediată de creșterea granulelor cauzată de luxațiile șurubului (Figura suplimentară S2). Acest proces de creștere are ca rezultat o peliculă cu grosime uniformă, cu o morfologie netedă a suprafeței, așa cum este indicat și de modele de reflecție cu difracție electronică cu energie ridicată (RHEED) obținute la sfârșitul creșterii filmului (Figura suplimentară S1). Un model selectat de difracție electronică de zonă (SAED) (Fig. 1b) obținut din regiunea interfază substrat-film arată că Cr: Bi 2 SO 3 este monocristalin și că crește epitaxial pe Al 2 O 3 (0001) cu următoarele relații cristalografice:
și Bi2S03 (0001) ‖ AI203 (0001).
( A ) Imagine HAADF-STEM cu mărire redusă a filmului Bi2 Se3 pe Al203 (0001). b ) SAED din zona de interfață Bi 2 Se 3/Al 2 O 3 de-a lungul KI;
Imagine la dimensiune completă
Aranjamentul structural al filmului este prezentat în imaginile HAADF obținute de-a lungul axelor zonei (Fig. 2). O schimbare bruscă a contrastului imaginii HAADF indică o interfață substrat-film bruscă din punct de vedere chimic, iar marginile albe indică o structură continuă a filmului QL. Figura 2b oferă o privire mai atentă asupra regiunii interfațiale dintre Al 2 O 3 și Cr: Bi 2 SO 3. Figura arată că, în timp ce interfața cu Al 2 O 3 este bruscă din punct de vedere chimic - filmul nu este complet aranjat în faza inițială de creștere. De fapt, necesită aproximativ 3 până la 4 straturi atomice înainte de a avea loc o creștere regulată a QL Bi 2 Se 3. Odată ce creșterea QL este atinsă, următoarea peliculă este aranjată continuu, după cum este confirmat prin difracție de raze X (XRD) și imagistică prin microscopie cu forță atomică (AFM) (Figurile suplimentare S2 și S3); de-a lungul acestei orientări cristalografice, coloanele atomice Bi și Se nu se suprapun și, prin urmare, coloanele atomice Bi și Se pot fi ușor distinse datorită numărului atomic mult mai mare de Bi în comparație cu Se. Insertul din Figura 2b este o imagine HAADF cu mărire mare QL care arată clar stivuirea atomică a coloanelor atomice Bi și Se.
A ) o imagine clară a HAADF-STEM din regiunea interfacială dintre film și substrat. b ) Imagine mărită a filmului la interfață. Există o interfață netedă și straturi cvadruple obișnuite de Bi 2 Se 3, cu excepția primului strat, care pare a fi foarte deranjat. Insertul prezintă o imagine mărită a stratului de bază cu modelul structural suprapus; Coloanele atomice Bi (roșu) și Se (verde).
Imagine la dimensiune completă
Apoi, ne concentrăm pe determinarea locației dopanților Cr în matricea Bi 2 Se 3. Imaginea directă a Cr de către HAADF nu este posibilă datorită Z Cr scăzut (Z Cr = 24) comparativ cu Bi și Se și concentrației scăzute de Cr în film. Pentru a obține semnătura neechivocă a lui Cr prezent în film, am efectuat o cartografiere a pierderilor de energie cu rezoluție spațială prin spectroscopie electronică (EELS), scanând sonda electronică în serie pe o zonă definită și colectând spectrul EEL în fiecare punct. Hărțile chimice sunt apoi create prin integrarea în fiecare punct al acestor imagini spectrale a intensității spectrului de mai sus
Fereastra de 20 eV deasupra marginilor marginilor EELS, în timp ce semnalul de intensitate HAADF a fost obținut simultan, permițând o corelare clară a informațiilor chimice cu imaginea structurală.
A ) Imagine HAADF-STEM din film Bi2 Se3 și substrat Al2O3. ( b ) Semnal HAADF-STEM din regiunea de interes prezentată în ( A ), coprodus odată cu achiziționarea EELS. ( c ) Cr L 2, 3 EELS semnal care arată o distribuție uniformă a Cr în straturile de cinci ori conținute în regiunea de interes. d ) Imagine HAADF-STEM de rezoluție atomică din zona filmului înregistrată în același timp cu semnalul EELS afișat la e ). e ) intensitatea semnalului rezolvată spațial CrL 2, 3 la margine, ceea ce arată că Cr în straturile duble menționate în d ) înlocuiește Bi. f ) profiluri de intensitate a coloanelor divalente și a hărții elementare Cr care arată o corelație spațială directă între cele două semnale.
Imagine la dimensiune completă
A ) Imagine din sondajul HAADF-STEM. ( b ) Semnal HAADF-STEM din regiunea de interes prezentată în ( A ), coprodus odată cu achiziționarea EELS. ( c ) Cr L 2, 3 semnal EELS care arată segregarea Cr de-a lungul limitelor granulelor. ( d ) Se L 2, 3 semnal EELS care arată distribuția uniformă a Se în film. e ) fundal dedus din Cr L 2, 3 margini obținute din limitele granulelor și în afara zonelor de frontieră desemnate ca numerele 1 și 2 la punctul c ), care prezintă un semnal Cr crescut la limita granulei.
Imagine la dimensiune completă
Distribuția uniformă a Cr în film este în acord cu proprietățile feromagnetice măsurate 22, spre deosebire de raportul recent privind segregarea Cr pe suprafață, care duce la comportamentul superparamagnetic al Cr: Bi 2 Se 3. Deși segregarea Cr în filme nu este de dorit dacă majoritatea limitelor granulelor se află în film (așa cum se observă în acest studiu), acestea nu ar trebui să afecteze în mod semnificativ stările suprafeței Dirac, care sunt macroscopice. State care acoperă întreaga zonă a filmului continuu. Pentru a suprima formarea limitelor de cereale, vă recomandăm să creșteți la temperaturi mai mici de creștere și rate de creștere mai mici.
În rezumat, am prezentat un studiu structural al unui film monocristalin Cr2 dopat cu Bi 2 SO 3 pe Al 2 O 3 (0001). Studiile structurale și spectroscopice folosind STEM-EELS cu corecție a aberației au arătat că încorporarea Cr în filmul Bi 2 SO 3 continuă cu substituirea atomilor de Bi. La concentrația investigată de Cr 4,6% în volum. Dopantul nu a deranjat structura diamantului Bi 2 Se 3. Mai mult, găsim segregarea Cr la granițele bobului filmelor. Prin reglarea densității defectelor și reglarea condițiilor de creștere, este posibil să se minimizeze segregarea Cr la limite și să se realizeze încorporarea Cr în filmele Bi2S03 prin substituirea uniformă a Bi.
metode
Probele de film subțire Cr: Bi 2 Se 3 au fost preparate folosind MBE pe substraturi de cplan safir, conform rețetei descrise în ref. 9. Camera de creștere MBE are o presiune de bază de 1 x 10-10 Torr. RHEED a fost utilizat pentru a monitoriza creșterea in situ și modelele fluxului (Figura suplimentară S1) indică creșterea 2D. Imaginea AFM (Imagine suplimentară S2) ilustrează insulele spirale comune filmelor Bi-Se3 orientate c-maxis cu trepte QL înalte (
1 nm). Insulele (sau boabele) au de obicei o dimensiune laterală
150 nm și sunt separați prin tranșee (limite de cereale). Proba utilizată în acest studiu are o grosime de 103 nm, determinată de reflectanța razelor X (XRR) și RBS. Compoziția probei a fost determinată de RBS ca 4,6 at-% Cr, 35, 3 at-% Bi și 60,1 at-% Se, aducând raportul (Cr + Bi): Se la 2: 3, indicând că Cr este un înlocuirea cu Bi paginile 9. Modelul XRD (Figura suplimentară S3) arată (00 1) o familie de vârfuri reprezentând Bi 2 SO 3 și parametrul extras c -axa grilei
28, 65 Å este ușor mai mare decât valoarea din literatură pentru Bi 2 SO 3 (ICSD 617072). Momentul de saturație magnetică a probei este
2, 1 μB/Cr și temperatura Curie 8, 5 K9.
Pregătirea probelor prin microscopie electronică cu transmisie în secțiune transversală (TEM) a fost realizată prin metoda fasciculului de ioni focalizați (FIB) folosind un microscop electronic cu scanare de înaltă rezoluție (FEGSEM) FEI Nova 200 NanoLab. S-a aplicat un strat Pt pentru a proteja pelicula de implantare și deteriorarea ionilor Ga.
Caracterizarea structurală a fost realizată prin microscopie electronică cu transmisie. SAED-urile au fost obținute folosind JEOL 2000 EX. Imagistica STEM și măsurătorile EELS au fost efectuate pe un instrument Nion UltraSTEM100 ™ echipat cu un spectrometru Gatan Enfina. Microscopul a fost operat la 100 kV cu un unghi de convergență de 30 mrad; în aceste condiții optice, dimensiunea sondei electronice este setată la 0,9 Å. Unghiul intern al detectorului pentru imagistica HAADF-STEM a fost de 76 mrad. Propagarea energiei native a fasciculului de electroni pentru măsurătorile EELS a fost de 0,3 eV; cu dispersia spectrometrului setată la 03 eV/canal și 1 eV/canal, obținându-se astfel o rezoluție eficientă a energiei de 0,9 eV și respectiv 3 eV. Unghiul de colectare EELS a fost de 33 mrad. O rutină de reducere a zgomotului utilizând analiza componentelor principale (CiMe - un plugin pentru pachetul software Gatan 25 Digital Micrograph 2.3) a fost utilizată pentru a crește contrastul spectrelor de rezoluție atomică. După PCA, hărțile chimice au fost create prin integrarea intensității spectrului în fereastră
20 eV peste Cr L 2, 3 și Se L 2, 3, onelete de margini EELS după scăderea fundalului folosind legea modelului de putere în fiecare punct al acestor imagini de spectru.,
Disponibilitatea datelor
Toate datele generate în timpul acestei cercetări sunt disponibile la cerere de la Catalogul de date al Universității din York //dx.doi.org/10.15124/e3abd365-2cc0-4938-9bc1-24ee4b4db6b1.
Informatii suplimentare
Documente Word
Informatii suplimentare
Comentarii
Prin trimiterea unui comentariu, sunteți de acord să respectați Termenii și condițiile și Regulile comunității. Dacă găsiți ceva jignitor sau nu respectați termenii sau liniile directoare, marcați-l ca fiind nepotrivit.