Characterization and manipulation of Bi2Te3 topological insulator surfaces by scanning probe microscopy. - Νέτσου, Αστεριώνα-Μαρία (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών, 2016)
Η παρούσα εργασία παρουσιάζει τα αποτελέσματα από τον χαρακτηρισμό και χειρισμό των επιφανείων του τοπολογικού μονωτή (ΤΙ) τελλουριούχου βισμουθίου (Bi2Te3) με τη χρήση μικροσκοπίας σάρωσης με ακίδα (SPM). Η έρευνα αυτή διεξήχθει στο Εργαστήριο Φυσικής Στερεάς Κατάστασης και Μαγνητισμού, στο Τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας, της Σχολής Επιστημών του KU Leuven στα πλαίσια του προγράμματος Erasmus+. Υπό την αιγίδα του προγράμματος Erasmus+ πραγματοποιήθηκε διμερής συνεργασία μεταξύ του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου και του KU Leuven προκειμένου να ολοκληρωθεί με επιτυχία η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία στο ΔΠΜΣ Επιστήμης και Τεχνολογίας των Υλικών. Οι τοπολογικοί μονωτές είναι καινοτόμα υλικά με πολλά υποσχόμενες εφαρμογές, οι οποίες προκύπτουν από τον μοναδικό συνδυασμό του κύριου όγκου του υλικού που δρα ως μονωτής και των εξωτικών μεταλλικών καταστάσεων της επιφάνειας που προστατεύονται από την τοπολογία της ηλεκτρονικής δομής τους. Το Bi2Te3 είναι ένα 3D TI υλικό που μόλις πρόσφατα συγκέντρωσε μεγάλο ενδιάφερον ως δυνητικός υποψήφιος για σπιντρονικές συσκευές και κβαντικούς υπολογιστές που θα λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου. Στην παρούσα εργασία εξετάζεται εκτενώς η συμπεριφορά της επιφάνειας του Bi2Te3 με τη βοήθεια των τεχνικών SPM και AFM. Επιπρόσθετα, παρουσιάζεται μια αποτελεσματική μέθοδος αφαίρεσης της επικάλυψης της στρώσης Te με τη χρήση STM/STS. Τα πειράματα πραγματοποιούνται σε δύο διαφορετικά είδη δειγμάτων: μίας καθαρής επιφάνειας Bi2Te3 που εκτίθεται στον ατμοσφαιρικό αέρα και ενός δείγματος Bi2Te3 καλυμμένου με μία στρώση άμορφου Te. Τα δείγματα εξετάζονται σε συνθήκες περιβάλλοντος σε θερμοκρασία δωματίου και σε συνθήκες εξαιρετικά υψηλού κενού (UHV) και σε χαμηλή θερμοκρασία (4.5 Κ) και σε θερμοκρασία δωματίου. Τα πειραματικά αποτελέσματα για το χαρακτηρισμό της επιφάνεια σε συνθήκες περιβάλλοντος έδειξαν ότι η επιφάνεια του υλικού τροποποιείται έντονα κατά τη διάρκεια των μετρήσεων για τα δείγματα του Bi2Te3. Για τα δείγματα με την επίστρωση Te προσδιορίστηκε ότι το πάχος των 100 nm είναι το βέλτιστο για την προστασία της επιφάνειας. Η τροποποίηση της επιφάνειας στην ατμόσφαιρα είναι πιθανό να προκαλείται λόγω της υγρασίας που έχει σαν αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός στρώματος νερού στην επιφάνεια του Bi2Te3. Τα πειράματα σε συνθήκες UHV έδειξαν ότι το Bi2Te3 παρουσιάζει μια εξαιρετικά επίπεδη επιφάνεια, αλλά μια ατομικά επίπεδη επιφάνεια επιτυγχάνεται μόνο μετά τη διαδικασία ανόπτησης του δείγματος, καθώς επίσης η επιφάνεια του Bi2Te3 δεν τροποποιείται κατά την διάρκεια των μετρήσεων υπό συνθήκες UHV. Τα ευρήματα της παρούσας εργασίας είναι ζωτικής σημασίας για την περαιτέρω σε βάθος μελέτη των εγγενών ιδιοτήτων των 3D TI υλικών.