The investigation of the properties of the TI and TCI thin films with electronic structures
TI ve TCI ince filmlerin özelliklerinin elektronik yapıları ile birlikte incelenmesi
- Tez No: 669486
- Danışmanlar: PROF. DR. TUNCER HÖKELEK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Hacettepe Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 109
Özet
Bu doktora tezinin temel amacı topolojik sistemlerin elektronik yapılarının fotoemisyon spektroskopisi ile incelenmesidir. Topolojik yalıtkanlar (TI) ve topolojik kristal yalıtkanlar (TIC), kuantum sistemlerinin yeni sınıfı olup spin momentum uzayındaki iletken yüzey durumlarının benzersiz özelliklerini paylaşırlar. TI'lar zaman tersinir simetri ile korunan topolojik yüzey durumları ile iç bölgelerde yığınsal yalıtkan bantlara sahiptirler. Diğer taraftan, TCI sistemi için topolojik yüzey durumları kristal simetri ile korunurlar. Yapılan en son araştırma katkılı topolojik yalıtkanlarda (katkılı-TI) kuantum anormal Hall etkisi gibi eşsiz bir olayın varlığını ortaya çıkartmıştır. Açı çözünürlüklü fotoemisyon spektroskopisi (ARPES) Dirac konileri ve topolojik yüzey durumları gibi bant yapılarının doğrudan saptanması için güçlü bir yöntemdir. Tezin birinci bölümünde, niçin birçok araştırmacı için topolojik sistemlerin en çok gelecek vadeden alanlardan birisi olduğunun nedenleri açıklanmıştır. İkinci bölümde, açı çözünürlüklü fotoemisyon spektroskopisi (ARPES), X-ışını fotoemisyon spektroskopisi (XPS) ve düşük elektron enerji kırınımı (LEED) gibi malzemeleri analiz etmek için kullanılan deneysel tekniklerin tümünün fiziksel temelleri açıklanmıştır. Üçüncü bölümde, filmlerin başlangıçtaki yüzeylerini elde etmek için kullanılan yüzey iyileştirme tekniklerinin yanında her sistem [TI (Bi2Te3), TCI (Pb0.56Sn0.44Te) and doped TI (Cr:BiTe)] için teorik temeller tartışılmıştır. Bi2Te3 (TI) filmleri, ARPES aygıtına bağlı olan yerli moleküler demet epitaksi (MBE) hücresini kullanarak başarıyla büyütülmüştür. Başarılı numune büyütme koşulu: alttaş sıcaklığı = 275˚C, Bi2Te3 pota sıcaklığı = 470 ˚C olması kiriş eşdeğer basıncı = 4.76 10-7 mbar olmasını sağlıyor. Dördüncü bölümde, kaplanmış ve kaplanmamış Bi2Te3 filmlerden elde edilen sonuçlar gözden geçirilmiş olup, topolojik yüzey durumları kaplanmamış örneklerdeki üst oksit tabakalarının başarıyla ayrılmasından sonra gözlenmiştir. LEED ve XPS ölçümleri her püskürtme ve tavlama döngüsünden sonra alınmıştır. Diğer taraftan, 100 nm Te kaplı örnekler alçak sıcaklıkta (17 K) elektronik yapıların enerji dağılımından bant aralığı içerisinde keskin ve temiz Dirac konisi topolojik durumları göstermişlerdir. Bunun yanısıra, sabit enerji haritası ölçümleri, Fermi düzeyleri aralığındaki belirli enerji değerlerinde fotoelektron emisyon açılarının belirlenmesi gibi, momentum dalga vektörlerinin tüm görüntülerini sunmuştur. Ayrıca, yüzey iyileştirme metodları, özellikle üst destek metodu, taze film yüzeylerini geri kazanmak için mükemmel biçimde çalışmaktadır. Ultra yüksek vakum tekniğinde, yüzey hazırlama işlemi zaman alıcı olabilir, bu da filmin yüzeyinde kirlenmeye neden olabilir, yüzey hazırlama sonuçlarımız ince film yüzey kalitesi üzerinde doğrudan bir etki gösterir. Beşinci bölümde, Heα II hv = 40.81 eV foton enerjili bir mor ötesi fotoemisyon spektroskopisi (UPS) ölçümünün taze film yüzeyini gösterdiği ve püskürtme ve tavlama süreçleriyle 100 nm'lik Te kaplamanın ayrıldığı deneyde elde edilen sonuçlar, açılara bağlı XPS sonuçları, farklı katmanlardan gelen element konsantrasyonlarının birbiriyle karşılaştırılabilir olduğunu göstermektedir. Te'nin Sn elementlerine konsantrasyon oranı, [CTe/CSn = (ITe/σTe) / (ISn/σSn)], 1.954 olarak hesaplanmıştır. Burada Te 3d piki için ışık şiddeti = 3440.89 foton/sn ve Sn 3d piki için ışık şiddeti = 1405.00 foton/sn , σTe ve σSn, Te 3d (0.4205 Mb) ve Sn 3d (0.3355 Mb) orbitallerinin kesitlerini temsil eder. Böylece, CTe = 1.954 CSn olup bu değer (CTe = 2.27 CSn) gerçek değeriyle karşılaştırılabilir. ARPES ölçümlerinin ikinci türevleri 35 K'de bileşiklerin üç yığınsal valans bandının enerji dağılımlarını ortaya koymuştur (L6+, L4,5 + and L6+). Altıncı bölümde, en etkileyici sonuçlar sistemin katkılı TI'da topolojik yüzey durumlarını koruduğunu göstermesidir. Cr'un varlığı topolojik yüzey durumunu yokederek TRS'yi kıracağı için, bu beklenmeyen bir durumdur. XPS veri analizleri sistemdeki Cr-katkısının artan katkı değerleriyle uyumludur. Son bölümde, tez çalışmasının ve genel olarak topolojik yalıtkanların evriminin gelecek 10 yıl içerisinde çeşitli uygulamalar için umut vaat ettiği düşünülmüştür
Özet (Çeviri)
The main objective of this Ph.D. thesis is the research of the electronic structures of the topological systems by photoemission spectroscopy. Topological insulators (TIs) and topological crystalline insulators (TICs) create the new class of the quantum systems, and they share the unique features of the conducting surface states locked in the spin momentum space. TIs have bulk insulating states in the interior regions with the topological surface states, protected by the time reversal symmetry. On other hand, the topological surface states for TCI system are protected by the crystal symmetry. A recent study substantiated a unique phenomenon in the doped-topological insulators (Doped-TIs) such as quantum anomalous Hall effect. The angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) is a powerful method used for the direct detection of the band structures, i.e. Dirac cones and topological surface states. In the first chapter of the thesis, the reasons of why the topological systems are one of the most promising fields for many researchers are clarified. In the second chapter, the physical backgrounds of all the used experimental techniques for analyzing the materials, such as angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES), X-ray photoemission spectroscopy (XPS) and low electron energy diffraction (LEED) are explained. In the third chapter, the theoretical backgrounds for each system [TI (Bi2Te3), TCI (Pb0.56Sn0.44Te) and doped TI (Cr:BiTe)] are discussed beside of the surface treatment methods used for restoring the pristine surfaces of the films. The Bi2Te3TI films have been successfully growth by using the homemade molecular beam epitaxy (MBE) chamber attached to the APRES instrument. The successful sample growth conditions: substrate temperature = 275 ˚C, Bi2Te3 crucible temperature = 470 ˚C which provides beam equivalent pressure = 4.76 10-7 mbar. In chapter four, the obtained results on the capped and non-capped Bi2Te3 films are reviewed, where the topological surface states are observed after the successful removal of the upper oxide layers in the all thin films. The LEED and XPS measurements are taken after each cycle of sputtering and annealing processes. On the other hand, the 100 nm Te capped samples have been shown sharp and clear Dirac cone topological states inside the bandgap from the energy dispersions of the electronic structures, at low temperature (17 K). Beside, the constant energy map measurements have been presented the full images of the momentum wave vectors, i. e. detecting the photoelectron emission angles at certain energy values in the ranges of Fermi levels. Moreover, the surface treatment methods, specifically the top boost method, work perfectly in recovering the fresh film surfaces. In the ultra-high vacuum technique, the surface preparation process may be time-consuming, which may cause contamination on the films' surface, our surface preparation outcomes show a direct impact on thin film surface quality. In chapter five, by using UPS measurement with Heα II (hv = 40.81 eV), Pb0.56Sn0.44Te film surface was examined, the de-capping method for TCI film by sputtering and annealing processes. The angle dependent XPS results show that element concentrations from different layers are comparable to each other. The concentration ratio of Te to Sn elements, [CTe/CSn = (ITe/σTe) / (ISn/σSn)], have been calculated as 1.954, where intensity for Te 3d peak = 3440.89 photon/sec and intensity for Sn 3d peak = 1405.00 photon/sec, σTe and σSn represent the cross sections of Te 3d (0.4205 Mb) and Sn 3d (0.3355 Mb) orbitals. Thus, CTe = 1.954 CSn, which may be compared with actual value (CTe = 2.27 CSn). The second derivatives of the ARPES measurements have been shown the energy dispersions of the main three bulk valence bands (L6+, L4,5 + and L6+) of the compounds at 35 K. In the sixth chapter, the most impressive results have been shown that the system preserves the topological surface states in Doped TI, which was unexpected as the presence of Cr could break the TRS, i.e. vanishing the topological surface state, the XPS data analyses are compatible with the increasing doping values of Cr-doping within the system. In the last chapter, the thesis study and evaluation in general the topological insulator are thought to be a promising candidate for various applications in the next coming 10 years.
Benzer Tezler
- Mikroark oksidasyon (MAO) yöntemi ile kaplanmış Cp titanyumun aşınma, korozyon ve tribokorozyon davranışının araştırılması
The investigation of corrosion, tribology and tribocorrosion behavior of Cp titanium coated with micro arc oxidation (MAO) process
HAMED FARZI
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Makine MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YAŞAR TOTİK
- Toz metalurjisi ile üretilen Ti-HA biyokompozit kaplamanın biyomedikal alanda kullanılan titanyum alaşımlarının özelliklerine etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of Ti-HA biocomposite coating on the properties of titanium alloys used in biomedical field produced by powder metallurgy
HASAN İSMAİL YAVUZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Metalurji MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. RIDVAN YAMANOĞLU
- Toz metalurjisi ile üretilen NiTi şekil hatırlamalı alaşımların metalurjik ve mekanik karakteristiklerinin incelenmesi
The investigation of the metallurgical and mechanical characteristics of NiTi shape memory alloys produced with powder metallurgy
MEHMET KAYA
Doktora
Türkçe
2008
Eğitim ve ÖğretimFırat ÜniversitesiMetalurji Eğitimi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURİ ORHAN
- Havacılık ve uzay sanayisi için yüksek entropili alaşımlarının üretilmesi ve karakterizasyonu
Production and characterization of high entropy alloys for the aerospace industry
ABDULHADİ KOŞATEPE
Doktora
Türkçe
2024
Metalurji MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÇAĞLAR YÜKSEL
DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKHAN POLAT
- Biyomedikal uygulamalarda kullanılan saf titanyum/kobalt ve alaşımlarının toz metalurjisi yöntemi ile üretilmesi ve uygulanabilirliğinin araştırılması
Development of pure titanium / cobalt and their alloys by powder metallurgy method for biomedical applications and investigation of their applicabilities
EBUZER AYGÜL
Doktora
Türkçe
2020
Mekatronik MühendisliğiMarmara ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SENAİ YALÇINKAYA
PROF. DR. YUSUF ŞAHİN