STM and STS studies of topological n-type (Bi, In)₂(Te, Se, S)₃ thermoelectrics

Abstract

In topological n-type thermoelectrics based on Bi 2 Te 3 with atomic substitutions Bi → In, Te → Se, S, the morphology and the surface states of Dirac fermions on the interlayer (0001) surface of van der Waals were studied by scanning tunneling microscopy and spectroscopy (STM/STS) techniques. By the STM method, the dark and light spots on the surface were found, which intensities depend on the composition and thermoelectric properties of solid solutions such as the Seebeck coefficient and thermoelectric power factor. The observed surface morphology features in the solid solutions are explained by distortions of surface electronic states originated from atomic substitutions, the influence of doping impurity, and formation mainly of substitutional impurity defects in thermoelectrics. The dips associated with substitutional impurities and antisite defects were found from the analysis of the height profiles obtained on the (0001) surface. Fast Fourier transform of the morphology STM images of the (0001) surface were used to obtain the interference patterns of the quasiparticles excitation caused by surface electrons scattering by defects. The Dirac point energy and its fluctuations, peak energies of surface defects, the positions of the valence and conduction band edges, and the energy gap were determined from an analysis of tunneling spectra. A correlation between the parameters of surface states of Dirac fermions and thermoelectric properties was found. Thus, a contribution of the fermions surface states increases with rise of the surface concentration in solid solutions with high power factor, and the largest concentration value was observed in the Bi 1.98 In 0.02 Te 2.85 Se 0.15 composition. The dependences of Fermi energy on the wave vector for different solid solutions are described by a set of Dirac cone sections located within the limits of the fluctuations of the Dirac point energy that explained by weak changes of the Fermi velocity for studied atomic substitutions in sublattices of bismuth telluride.

Гальваномагнитные Свойства В Анизотропных Слоистых Пленках На Основе Халькогенидов Висмута

“…По данным СТС [18], в пленке n-Bi 1.92 In 0.02 Te 2.85 Se 0.15 точка Дирака E D , положение которой существенно зависит от состава материала, расположена приблизительно в центре запрещенной зоны и на расстоянии 0.8 мэВ от края валентной зоны. Поэтому даже при температуре 3 K и энергии E F = 77 мэВ уровень Ферми в пленке находится у края зоны проводимости.…”

“…Как следует из полученных в настоящей работе данных, величина n s возрастает с температурой. Кроме того, величина n s в n-Bi 1.92 In 0.02 Te 2.85 Se 0.15 выше, чем в составах системы твердых растворов n-Bi 2 Te 3−y Se y[18].…”

Дефекты межслоевой поверхности и термоэлектрические свойства в слоистых пленках топологических изоляторов n-Bi-=SUB=-2-=/SUB=-Te-=SUB=-2.7-=/SUB=-Se-=SUB=-0.15-=/SUB=-S-=SUB=-0.15-=/SUB=-

“…Морфология межслоевой поверхности (0001), на которой проводились измерения термоэлектрических свойств, была исследована методом сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) с целью идентификации дефектов, которые оказывают влияние на термоэлектрические свойства. Выбор пленок указанного состава связан с результатами исследований микрорамановского рассеяния [24] и дифференциальной туннельной проводимости методом сканирующей туннельной спектроскопии (СТС) [25], которые показали, что влияние поверхностных состояний фермионов Дирака возрастает в подобных составах твердых растворов с высокими значениями коэффициента Зеебека. Наибольшее снижение угловых коэффициентов в пленках наблюдается при температурах ниже и вблизи температуры Дебая T D , что объясняется преимущественным влиянием рассеяния на точечных дефектах: собственных донорных антиструктурных дефектах и нейтральных примесных дефектах, возникающих при замещении атомов теллура на селен и серу при образовании твердого раствора (рис.…”