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Dados do Trabalhos de Conclusão

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
FÍSICA (33144010001P7)
Sintonizando os estados de condução volumétricos do isolante topológico Bi2Se3
RODRIGO TARDINI PAULINO
DISSERTAÇÃO
04/08/2022

A família de materiais do Bi2Se3 são termoelétricos conhecidos amplamente aplicados na indústra, que na última década receberam interesse renovado como um dos primeiros isolantes topológicos 3D previstos. Com um único cone de Dirac responsável pelos estados de superíficie topologicamente protegidos e um grande gap de banda de mais de 200 meV, aplicações práticas dos elétrons de Dirac relativísticos estão sendo limitadas pela presença dominante de elétrons volumétricos em fenômenos de transporte. Consequentemente, suprimir esses estados volumétricos é de grande interesse para tecnologias do futuro, como a computação quântica ou a spintrônica. Com suas origens em defeitos estruturais inerentes ao material, as propriedades destes elétrons podem ser sintonizadas simplesmente pelo método de crescimento do monocristal, sem a necessidade de dopagens externas. O objetivo principal dessa dissertação é utilizar o método de auto-fluxo para obter monocristais de Bi2Se3 na faixa inteira de concentração de Bi:Se disponível no diagrama de fases, buscando explorar os diferentes defeitos presentes na estrutura. Através da difração em pó de raios-X (PXRD) e da espectroscopia de raios-X por dispersão em energia (EDS), mudanças nos defeitos estruturais foram confirmadas. Medidas de efeito Hall mostraram que todas as amostras são do tipo-n, com concentrações eletrônicas indo de 1017 cm−3 até 1019 cm−3 em amostras ricas em Se e Bi, respectivamente. O espalhamento por fônons se mostrou dominante em altas temperaturas, resultando em um típico comportamente metálico na resistividade. Já em baixas temperaturas, o espalhamento é feito principalmente por impurezas ionizadas, chegando a atingindo mobilidades eletrônicas de até 104 cm2V−1 s −1 . Oscilações quânticas de Shubnikov-de Haas na magnetoresistência evidenciam que o nível de Fermi está dentro da banda de condução, e comparando a frequência com a densidade eletrônica pelo efeito Hall, a superfície de Fermi pode ser reconstruída. Além disso, pela análise cautelosa da fase de oscilação considerando o efeito Zeeman do Bi2Se3, foi possível classificar os elétrons volumétricos como topologicamente triviais, resolvendo algumas contradições anteriormente encontradas na literatura. Com amostras de baixa e também alta densidade de elétrons compondo o estudo, este trabalho também apresentou uma visão unificada dos estados volumétricos, trazendo uma revisão de resultados anteriores e discutindo muitas perguntas ainda sem respostas da literatura relevante.

Bi2Se3;Isolantes Topológicos;Materiais Termoelétricos;Oscilações Quânticas;Transporte Elétrico;Semicondutores Dopados;Crescimento de Monocristais
The Bi2Se3-family of materials are well known thermoelectrics widely applied in industry, that received renewed interest in the last decade as one of the first predicted 3D topological insulators. With a single Dirac cone responsible for the topologically protected surface states and a large band gap of over 200 meV, practical application of relativistic Dirac electrons are being limited by the overwhelming presence of bulk electrons in transport phenomena. Consequently, the suppression of these bulk states is of great interest for technologies of the future, like quantum computing and spintronics. With its origins tracing back to inherent structural defects, the properties of these bulk electrons can be tuned simply by the single crystal growth procedure, without the need of external dopants. The main objective of this dissertation is to utilize the self-flux method to obtain Bi2Se3 single crystals in the entire Bi:Se concentration range available in the phase diagram, looking to fully explore the different defects present in the structure. Through powder X-ray diffraction (PXRD) and electron dispersive X-ray spectroscopy (EDS), the change in the induced defects was confirmed. Hall effect measurements showed that all samples were n-type, with electron densities ranging from 1017 cm−3 up to 1019 cm−3 in Se and Bi-rich samples respectively. A dominant electron-phonon scattering at high temperatures resulted in typical metallic behaviour in the resistivity and, with the electron mobility reaching as high as 104 cm2V−1 s −1 , ionized impurities were found to dominate the scattering effects at low temperatures. Shubnikov-de Haas quantum oscillations in the magnetoresistance unequivocally place the Fermi level within the conduction band and, by comparing the frequency and the Hall effect electron density, the shape of the Fermi surface was reconstructed. Furthermore, careful analysis of the oscillation phase considering the large Zeeman effect of Bi2Se3, classify the bulk electrons as topologically trivial, solving previously contradicting literature results. With samples ranging from high- to low density of electrons, this work also offers a unified view of the bulk states, providing a review of previous results and discussing many of the unanswered questions in the relevant literature.
Bi2Se3;Topological Insulators;Thermoelectric Materials;Quantum Oscillations;Electrical Transport;Doped Semiconductors;Single-Crystal Growth
1
101
INGLES
UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
O trabalho possui divulgação autorizada
FIS-RODRIGO TARDINI PAULINO.pdf

Contexto

FÍSICA
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Banca Examinadora

MARCOS DE ABREU AVILA
DOCENTE - PERMANENTE
Sim
Nome Categoria
MAURO MELCHIADES DORIA Participante Externo
PASCOAL JOSE GIGLIO PAGLIUSO Participante Externo
MARCOS DE ABREU AVILA Docente - PERMANENTE

Vínculo

-
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Não
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