Synthesis and transport properties of nanostructured topological insulators

Abstract

Os isoladores topológicos são um novo estado da matéria que tem suscitado grande interesse devido às suas propriedades únicas e a potenciais aplicações em spintrónica. Estes materiais possuem um gap energético no bulk, como os demais isoladores, mas possuem estados condutores helicoidais na superfície. Estes estados surgem da combinação do acoplamento spin-órbita e da simetria de reversão temporal. Os calcogenetos de bismuto têm sido os materiais estudados mais extensivamente devido aos seus estados de superfície simples e cones de Dirac únicos. Bi2Se3, nomeadamente, tem um cone de Dirac aproximadamente ideal, o que o torna particularmente interessante como protótipo dos isoladores topológicos. Neste trabalho procedeu-se à síntese por micro-ondas de Bi2Se3, Bi2Se3−xTex , x = 0.1, 0.3, 0.5 e Bi2Te3, e à caracterização estrutural, morfológica e de composição dos nanocristais obtidos. Além disso, foi realizado o estudo das propriedades de transporte de duas amostras de Bi2Se3, uma das quais com fases correspondentes a impurezas. Os nanomateriais analisados possuem anti-localização fraca (WAL), que pode ser modelada pela fórmula de Hikami-Larkin-Nagaoka (HLN), bem como oscilações Shubnikov-de Haas. Para ambas as amostras, o comportamento do comprimento de coerência de fase lφ com a temperatura segue o esperado para um sistema bidimensional (lφ ∼ T−1/2), evidenciando a existência de estados de superfície 2D existentes no gap do material 3D. No entanto, o efeito de Hall sugere que o bulk destas amostras não é isolador, sendo os estados de bulk relevantes para as propriedades de transporte. O resultado mais importante deste trabalho reside no facto de se ter mostrado que as amostras policristalinas de Bi2Se3, mesmo aquelas contaminadas com fases parasíticas, preservam o efeito de WAL. Concluímos que, dado o relativamente elevado comprimento de coerência eletrónica medido no nanomaterial, os fenómenos quânticos de anti-localização fraca, bem como as oscilações quânticas SdH, são robustas à presença de impurezas não magnéticas e defeitos estruturais. Palavras-chave: Isolador topológico, anti-localização fraca, oscilações Shubnikovde Haas, magnetorresistência, materiais nanoestruturados