Американские физики разработали новый метод визуализации зонной структуры двумерных слоев, находящихся довольно далеко от поверхности материала. Опубликованная в Science работа рассказывает о подходе, основанном на совмещении сканирующей туннельной микроскопии и фотоэлектронной спектроскопии. С помощью предложенного метода можно получать изображение электронной структуры полупроводниковых и проводящих материалов, а также исследовать взаимодействие электронов с кристаллической решеткой.

В кристаллической решетке полупроводникового или проводящего материала электроны отдельных атомов из-за взаимодействия друг с другом формируют сложные скоррелированные системы. Для удобства исследования таких систем энергетическое состояние электронов обычно рассматривают в пространстве энергия-импульс. Именно в таком представлении можно наблюдать образование энергетических зон в кристалле: зону проводимости и валентную зону. Форма этих зон является показателем электронных свойств кристалла — будет он проводником, полупроводником, или обладать какими-то необычными свойствами. Однако не для всех материалов существуют методы точного измерения зонной структуры. В частности, до сих пор не удавалось экспериментально исследовать энергетические зоны отдельных двумерных слоев внутри многослойных кристаллических структур, однако такие данные могли бы помочь ученым в создании многослойных структур с заданными электронными свойствами.

J. Jang et al./ Science, 2017

Американские физики под руководством Чжунхо Чжана (Joonho Jang) из Массачусетского технологического института разработали метод, с помощью которого можно получать изображение зонной структуры двумерных слоев внутри материала. Для этого они объединили методы сканирующей туннельной микроскопии и фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением. Обычно фотоэлектронная спектроскопия используется для исследования зонной структуры поверхностей, а в случае однородности материала по ней можно восстановить зонную структуру вещества. В своей работе ученые предложили объединить ее с туннельной микроскопией, чтобы с помощью инжектированных туннельных электронов можно было изучать свойства слоев, находящихся в глубине материала. В качестве модельной системы для демонстрации работы предложенного подхода авторы работы изучили зонную структуру полупроводниковой пленки арсенида галлия.

Схематическое изображение исследуемой слоистой системы и энергетических зон в двух слоях арсенида галлия, между которыми происходит туннелирование. J. Jang et al./ Science, 2017
.[image]

Слева изображена схема туннелирования электронов из одного слоя арсенида галлия в другой. Справа — измеренная предложенным методом зона структура. J. Jang et al./ Science, 2017

Исследуемая структура была устроена таким образом, что между двумя полупроводниковыми пластинами из арсенида галлия находился слой арсенида галлия, допированного алюминием. Оба полупроводниковых слоя являются для электронов квантовыми ямами, между которыми электрон может туннелировать через слой, содержащий алюминий. С помощью микроскопа физики заставили электроны туннелировать из одного слоя арсенида галлия в другой, а потом с помощью фотоэлектронной спектроскопии получили изображение зонной структуры второго слоя. Для дополнительного управления импульсом электронов в плоскости слоя прикладывалось внешнее магнитное поле величиной до 10 тесла. Предложенный метод авторы работы назвали туннельной спектроскопией с разрешением по импульсу и энергии (momentum- and energy-resolved tunneling spectroscopy).

В результате эксперимента ученым удалось не только получить изображение зонной структуры полупроводникового слоя, но и обнаружить при определенных внешних условиях необычные эффекты. В частности, при приложении перпендикулярного магнитного поля больше 5 тесла наблюдалось расщепление зоны проводимости. По словам ученых, раньше такой эффект никто не наблюдал. Обнаруженный эффект авторы исследования связывают с взаимодействием электронов с колеблющимися с увеличенной интенсивностью ионами решетки.

По словам ученых, предложенный метод можно использовать для изучения энергетических зон самых разнообразных двумерных кристаллических слоев: это могут быть не только полупроводники и проводящие материалы, но и материалы, которые не проводят электрический ток и в которых плотность носителей заряда равна нулю. Кроме того, с помощью предложенного метода можно получить информацию об эффектах взаимодействия электронов с другими квазичастицами: образование плазмонов и поляронов или взаимодействие электронов с фононами. Отдельным достоинством метода является возможность его использования при больших внешних магнитных полях.

Изучение зонной структуры двумерных материалов позволяет оценивать и предсказывать электронные свойства и более необычных кристаллов. В частности, по характеру перекрытия энергетических зон можно говорить о сверхпроводящих свойствах двумерных кристаллов.

Автор: Александр Дубов