Magnetotransport properties of the MBE-grown transition-metal compounds

Praca przedstawia wyniki badań nad cienkimi warstwami NiTe2, MoTe2 oraz TaAs otrzymanymi metodą MBE. Właściwości transportowe i strukturalne tych materiałów zostały wykorzystane do zrozumienia ich własności fizycznych oraz uzyskania podstawowych parametrów, umożliwiających powiązanie ich z warunkami wzrostu MBE. Materiały te są dobrze znane w formie objętościowej ze względu na ich zróżnicowane właściwości elektroniczne (od półprzewodzących po metaliczne), które są zależne od fazy krystalicznej. Faza metaliczna jest najbardziej interesująca, gdyż posiada właściwości topologiczne z nośnikami chiralnymi i relatywistyczną dyspersją E(k). Właściwości te są związane z brakiem symetrii inwersji lub odwrócenia w czasie w strukturze krystalicznej. Ponieważ technologia wzrostu tych cienkich warstw znajdowała się w stadium początkowym na początku tej rozprawy, a NiTe2 i TaAs zostały zademonstrowane w laboratorium MBE Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego po raz pierwszy na świecie, głównym celem pracy było przeprowadzenie kompleksowej charakterystyki ich właściwości, tak aby uzyskać wiedzę na temat tych materiałów. Głównym narzędziem były pomiary magnetotransportowe, a także szereg uzupełniających metod eksperymentalnych (XRD, SEM czy rozpraszanie Ramana wykonywane przez Autorkę pracy oraz TEM, ARPES, STM, AFM we współpracy) oraz obliczenia teoretyczne (we współpracy), które zostały wykorzystane do określenia fazy i ujawnienia właściwości cienkowarstwowych warstw NiTe2, MoTe2 i TaAs. Warstwy NiTe2 wykazały wysoką jakość krystaliczną, gładką morfologię oraz wyraźnie zaznaczone interfejsy pomiędzy poszczególnymi warstwami. W warstwach obecne było znaczne naprężenie, prawdopodobnie wynikające z defektów międzywarstwowych lub atomów międzywęzłowych, a także lokalnych naprężeń związanych z podłożem, co zostało również udokumentowane. Właściwości elektroniczne warstw NiTe2 były determinowane temperaturą podłoża podczas wzrostu - przy niskich temperaturach obserwowano metaliczne NiTe2, natomiast przy wysokich temperaturach ujawniła się faza o charakterze półprzewodnikowym, wynikająca z niedoboru Te. W pomiarach magnetotransportowych najbardziej opornych próbek z metalicznym R(T) zaobserwowano 3D słabą antylokalizację (z ang. weak antilocalization), która w wyższych temperaturach ewoluowała w dodatnią parabolę, sugerując pochodzenie topologiczne. Było to skorelowane z obserwacją stanów topologicznych w widmach ARPES, jednakże nie zaobserwowano innych zjawisk transportowych przewidywanych dla półmetali Diraca, najprawdopodobniej z powodu bardzo dużej koncentracji nośników. Próbki MoTex okazały się znacznie trudniejsze do wzrostu, przy czym tylko jedna próbka zawierała topologiczną fazę 1T′-MoTe2. Niestety faza ta była „ukryta” pomiędzy dwoma materiałami przewodzącymi, co uniemożliwiało przeprowadzenie wiarygodnej charakterystyki za pomocą pomiarów transportu elektronowego. Niemniej jednak przeprowadzono charak terystykę innych wyhodowanych próbek MoTex, co pozwoliło lepiej zrozumieć ich właści wości transportowe. W szczególności były to: 2H-MoTe2 dla niskiej temperatury podłoża oraz wiązki nanodrutów 2H-MoTe2 / Mo6Te6 przy wyższych temperaturach podłoża. Ze względu na to, że dla cienkich warstw zaobserwowano wrażliwość na powietrze, zapro ponowano i przetestowano warstwę ochronną AlOx, która chroni MoTe2 przed wpływem atmosfery. Cienkie warstwy TaAs wykazały morfologię nanokolumnarną, skorelowaną z anizotropią przewodnictwa: przewodnictwo było do 5 razy większe dla prądu płynącego wzdłuż nanokol umn niż w poprzek. Struktura krystaliczna poszczególnych nanokolumn była zdominowana przez nietypowe ułożenie atomów (z ang. stacking faults) w porównaniu do tetragonalnego TaAs. Ta struktura atomowa była charakterystyczna dla fazy ortorombowej, co zostało potwierdzone poprzez identyfikację refleksów w dyfraktogramach XRD, które są zabronione dla fazy tetragonalnej. Obliczenia DFT wykazały, że konfiguracja ortorombowa jest energety cznie korzystna dla TaAs i że taka faza jest również półmetalem Weyla. Niskotemperatur owe pomiary magnetotransportowe ujawniły słabą antylokalizację jako jedyny ślad obecności nośników topologicznych. Wszystkie punkty Weyla znajdują się daleko od eksperymental nego poziomu Fermiego i pozostają nieobsadzone. Wszystkie te fakty pozwalają stwierdzić, że zaobserwowano nową fazę półmetalu Weyla- ortorombowy TaAs (o-TaAs).

The work presents the results of research on thin films of NiTe2, MoTe2 and TaAs grown by the MBE method. The transport and structural properties of those materials were used to provide insight into their physical properties, basic parameters to relate them to the MBE-growth conditions. Those materials are well-known in the bulk form for their diverse electronic properties (from semiconducting to metallic) depending on their crystal phase. It is the metallic phase that is the most interesting, as it shows topological character, with chi ral carriers and relativistic dispersion E(k). These inherent properties are linked to the lack of inversion or time reversal symmetry in the crystal structure. Since the growth technology of these thin films was in its nascent state at the beginning of this thesis and the NiTe2 and TaAs were demonstrated by the MBE laboratory of the Faculty of Physics, University of Warsaw, for the first time in the World, a comprehensive characterization of their proper ties was undertaken as the goal of this work, in order to gain the understanding of these MBE-grown materials. Magnetotransport measurements were a major tool, and a number of complimentary experimental methods (XRD, SEM or Raman scattering, performed by the Author of the thesis and TEM, ARPES, STM, AFM in collaboration) and theoretical calculations (in collaboration) were used to determine the phase and reveal the properties of NiTe2, MoTe2 and TaAs in the thin film form. The NiTe2 layers showed high crystalline quality, smooth morphology and well-pronounced interfaces. Substantial strain was present in the films, possibly due to inter-layer defects or intercalated atoms, and local substrate-related strain, which was evidenced as well. The electronic properties of the NiTe2 layers were governed by substrate temperature during the growth- at low temperatures metallic NiTe2 was observed, while at high temperatures semiconductor-like phase was revealed due to the observed Te deficiency. In magnetotrans port measurements of the most resistive samples with metallic R(T), a 3D weak antilocal ization was observed, which evolved into positive magnetoresistance at higher temperatures, suggesting topological origin. This was correlated with the observation of topological states in the APRES data. However, no other transport phenomena, predicted for Dirac semimetal were observed, most probably due to very high carrier concentration. MoTex samples proved much harder to grow with only one sample containing the topo logical 1T′-MoTe2 phase. Unfortunately, the phase was buried between two conducting mate rials making meaningful characterization by electronic transport measurements impossible. The characterization of other grown MoTex samples was however performed, helping to un derstand their transport properties. In particular, these were 2H-MoTe2 for low substratetemperature- and net of 2H-MoTe2 / Mo6Te6 nanowires- when the substrate temperature was higher. 2H-MoTe2 showed an increase of resistivity when the growth temperature was decreased, indicating a substantial degree of disorder in the layers. As air-sensitivity was observed for thin layers, AlOx capping was proposed and tested, showing a way to protect the layer from atmosphere impact. Finally, the TaAs thin films showed nanocolumnar morphology, correlated with an anisotropy of conductivity, which was up to 5 times higher for current aligned along the nanocolumns than across them. The crystalline structure of individual nanocolumns was dominated by atom arrangement observed in stacking faults in the tetragonal TaAs. This atomic structure was characteristic of an orthorhombic phase, which was confirmed by phase specific reflections in the XRD patterns. DFT calculations showed that an orthorhombic configuration is energetically favorable for TaAs and that such phase is a Weyl semimetal. Low-temperature magnetotransport showed weak antilocalization as the only fingerprint of topological carriers. Indeed, all the Weyl points lie far from the experimental Fermi level and stay unpopulated. All these points allow to state that a new Weyl semimetal phase orthorhombic TaAs- was observed.