[Jan 20, 2014] Persistent Topological Surface State at the Interface

[Jan 20, 2014] 정진욱, 김준성 교수 연구실 - Persistent Topological Surface State at the Interface of BiSe Film Grown on Patterned Graphene

ACS Nano doi:10.1021/nn405503k

3차원 구조의 위상 부도체 (TI)는 강한 스핀-궤도 작용으로 인한 고유한 스핀의존적 디락밴드 물성과 같은 놀라운 물성에도 불구하고 유사한 디락 밴드 물질인 그래핀과 달리 디바이스 응용 등에 잘 활용되고 있지 못하고 이는 실정이다. 주된 장애점은 이전 연구결과에서 보듯이 TI의 고유한 표면전자상태가 3차원 TI형성과정에서 쉽게 손상되고 약해지고 강한 bulk 시그날에 쉽게 묻혀 버린다는 것이다. 본 연구에서 적절히 설계된 그래핀 구조 위에 형성된 3차원 TI층에서 그 표면전자상태가 거의 손상없이 잘 유지된다는 것을 x-선 회절,  Subnikov de Hass 진동과 같은 자기수송물성, SEM, TEM, AFM 등 다양한 이미징 방법으로 증명한 것이다. 이 연구결과는 3차원 TI가 그 고유한 표면 물성을 활용하는 여러 디바이스 제작에 이제는 안전하게 사용될 수 있는 실제적인 방법을 제공하고 있다.

We employed graphene as a patternable template to protect the intrinsic surface states of thin films of topological insulators (TIs) from environment. Here we find that the graphene provides high-quality interface so that the Shubnikov de Haas (SdH) oscillation associated with a topological surface state could be observed at the interface of a metallic Bi2Se3 film with a carrier density higher than ~1019 cm-3. Our in- situ x-ray diffraction study shows that the Bi2Se3 film grows epitaxially in a quintuple layer-by-layer fashion from the bottom layer without any structural distortion by interfacial strain. The magnetotransport measurements including SdH oscillations stemming from multiple conductance channels reveal that the topological surface state, with the mobility as high as ~0.5 m2/Vs, remains intact from the graphene underneath without degradation. Given that the graphene was pre-patterned on arbitrary insulating substrates, the TI-based microelectronic design could be exploited. Our study thus provides a step forward to observe the topological surface states at the interface without degradation by tuning the interface between TI and graphene into a measurable current for device application.