On topological properties of materials: topological insulators, Weyl and Dirac semimetals

Abstract

Topological materials are materials whose properties remain invariant under continuous transformations. Topological insulators are insulating in bulk and conducting at surface. In another class of topological materials, the material is a semimetal where their valence and conduction bands touch at, or near the Fermi level. Depending on whether the bands are non or doubly-degenerate, a topological material is called topological Weyl or Dirac semimetal, respectively. Standard topological materials possess three-dimensional crystal structures that are often formed as bulk crystals. However, the research has been focused lately on two-dimensional van der Waals topological materials due to their unique quantum electronic properties and their reduced dimensionality. This doctoral dissertation aims on presenting theoretical and experimental results that contribute to the research on two-dimensional van der Waals topological materials. Firstly, we fabricated epitaxial (SnBi2Te4)n(Bi2Te3)m natural van der Waals superlattices. The existence of topological surface states is confirmed by using first-principles calculations in combination with in-situ and synchrotron angle-resolved photoemission spectroscopy. Their presence is also correlated with appearance of the weak antilocalization effect observed with magnetotransport measurements. In addition, we report on the crucial orthorhombic non-centrosymmetric Weyl semimetal Td-phase direct room-temperature observation in epitaxial three monolayers MoTe2 films generated layer by layer on InAs substrates via molecular beam epitaxy. The lattice constants of our epitaxial orthorhombic phase are found to be significantly greater than the experimental values from bulk Td-phase of MoTe2 that were previously published. In this study, we claim that the stabilization of the Td-phase at room temperature in epitaxial thin films is significantly influenced by the expanded lattice parameters, as well as the energy position of the Weyl points.Moreover, the family of group IV transition metal ditellurides is studied with theoretical calculations, where HfTe2 and ZrTe2 are classified as type-I and type-II topological Dirac semimetals, respectively. In addition, a new type-III phase is proposed, which is achieved through a topological phase transition, by alloying the two materials in combination with in-plane strain. This strain may be used to alternate between the two types of Dirac semimetals. We successfully fabricated the desired alloy by using molecular beam epitaxy, and performed angle-resolved photoemission spectroscopy, where the topological Dirac semimetal behavior is displayed.Finally, theoretical results of the WTe2, and to a lesser extend MoTe2, in a van der Waals heterostructure with the CrTe2 two-dimensional ferromagnet are presented. WTe2 and MoTe2 are topological Weyl semimetals in large thicknesses and two-dimensional topological insulators down to the single layer, holding great opportunities on spintronic applications. Our findings suggest that an interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction strong enough to create Néel-type skyrmion lattice is produced whose dynamics are tested under external magnetic fields and temperature. This study also shows that the generation and annihilation of magnetic skyrmions in the CrTe2/WTe2 van der Waals heterostructure can be achieved and that the motion of the magnetic skyrmions can be controlled by ultra-low spin-polarized currents.

Τα τοπολογικά υλικά είναι υλικά των οποίων οι ιδιότητες παραμένουν αμετάβλητες υπό συνεχείς μετασχηματισμούς. Οι τοπολογικοί μονωτές είναι μονωτές εσωτερικά και αγώγιμοι στην επιφάνεια. Σε μια άλλη κατηγορία τοπολογικών υλικών, το υλικό είναι ημιμέταλλο όπου οι ζώνες σθένους και αγωγιμότητάς τους τέμνονται πάνω ή κοντά στο επίπεδο Fermi. Ανάλογα με το αν οι ζώνες είναι μη ή διπλά εκφυλισμένες, ένα τοπολογικό υλικό ονομάζεται τοπολογικό ημιμέταλλο Weyl ή Dirac, αντίστοιχα. Τα τυπικά τοπολογικά υλικά διαθέτουν τρισδιάστατες κρυσταλλικές δομές που συχνά σχηματίζονται ως πολυστρωματικοί κρύσταλλοι. Ωστόσο, η έρευνα έχει επικεντρωθεί τελευταία σε δισδιάστατα τοπολογικά υλικά van der Waals λόγω των μοναδικών κβαντικών ηλεκτρονικών ιδιοτήτων τους και της μειωμένης τους διάστασης.Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στην παρουσίαση θεωρητικών και πειραματικών αποτελεσμάτων που συμβάλλουν στην έρευνα πάνω στα δισδιάστατα τοπολογικά υλικά. Πρώτον, κατασκευάσαμε επιταξιακά φυσικές υπερδομές van der Waals (SnBi2Te4)n(Bi2Te3)m. Η ύπαρξη τοπολογικών επιφανειακών καταστάσεων επιβεβαιώνεται με τη χρήση υπολογισμών πρώτων αρχών σε συνδυασμό με τη γωνιακός εξαρτώμενη φασματοσκοπία φωτοεκπομπής in-situ και σύγχροτρον. Η παρουσία τους συσχετίζεται επίσης με την εμφάνιση του φαινομένου ασθενούς αντιεντοπισμού που παρατηρείται με τις μετρήσεις μαγνητομεταφοράς.Επιπλέον, αναφέρουμε την άμεση παρατήρηση της κρίσιμης ορθορομβικής μη κεντροσυμμετρικής ημιμεταλλικής φάσης Weyl Td σε θερμοκρασία δωματίου, σε επιταξιακά υμένια MoTe2 τριών μονοστρωμάτων, που δημιουργούνται στρώμα προς στρώμα σε υποστρώματα InAs μέσω επιταξίας με μοριακές δέσμες. Οι πλεγματικές σταθερές της επιταξιακής ορθορομβικής μας φάσης βρέθηκαν να είναι σημαντικά μεγαλύτερες από τις πειραματικές τιμές από των πολυστρωματικών κρυστάλλων φάσης Td του MoTe2 που δημοσιεύθηκαν προηγουμένως. Σε αυτή τη μελέτη, υποστηρίζουμε ότι η σταθεροποίηση της φάσης Td σε θερμοκρασία δωματίου σε επιταξιακές λεπτές μεμβράνες επηρεάζεται σημαντικά από τις παραμέτρους του διογκωμένου πλέγματος, καθώς και η ενεργειακή θέση των σημείων Weyl.Επιπλέον, η οικογένεια των μεταβατικών μετάλλων διτελλουριδίων της ομάδας IV μελετάται με θεωρητικούς υπολογισμούς, όπου τα HfTe2 και ZrTe2 ταξινομούνται ως τοπολογικά ημιμέταλλα Dirac τύπου-Ι και τύπου-ΙΙ, αντίστοιχα. Επιπρόσθετα, προτείνεται μια νέα φάση τύπου-III, η οποία επιτυγχάνεται μέσω μιας τοπολογικής μετάβασης φάσης, με κράμα των δύο υλικών σε συνδυασμό με την εφαρμογή ενδοεπίπεδων τάσεων. Αυτή η τάση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εναλλαγή μεταξύ των δύο τύπων ημιμετάλλων Dirac. Κατασκευάσαμε με επιτυχία το επιθυμητό κράμα χρησιμοποιώντας επιταξία με μοριακές δέσμες και πραγματοποιήσαμε γωνιακός εξαρτώμενη φασματοσκοπία φωτοεκπομπής, όπου παρατηρήθηκε η τοπολογική ημιμεταλλική συμπεριφορά Dirac.Τέλος, παρουσιάζονται θεωρητικά αποτελέσματα του WTe2, και σε μικρότερο βαθμό του MoTe2, σε μια ετεροδομή van der Waals με τον δισδιάστατο σιδηρομαγνήτη CrTe2. Το WTe2 και το MoTe2 είναι τοπολογικά ημιμέταλλα Weyl σε μεγάλα πάχη και δισδιάστατοι τοπολογικοί μονωτές σε πάχος ενός μονοστρώματος, και είναι πολλά υποσχόμενα για εφαρμογές στη σπιντρονική. Τα ευρήματά μας υποδηλώνουν ότι παράγεται μία διεπιφανειακή αλληλεπίδραση Dzyaloshinskii-Moriya αρκετά ισχυρή ώστε να δημιουργήσει πλέγμα σκυρμιονίων τύπου Néel του οποίου η δυναμική ελέγχεται υπό εξωτερικά μαγνητικά πεδία και τη θερμοκρασία. Αυτή η μελέτη δείχνει επίσης ότι η δημιουργία και η εξάλειψη των σκυρμιονίων στην ετεροδομή CrTe2/WTe2 μπορεί να επιτευχθεί και ότι η κίνηση των σκυρμιονίων μπορεί να επιτευχθεί με εξαιρετικά χαμηλά πολωμένα ρεύματα σπιν.