Ανάπτυξη, δομικός χαρακτηρισμός και ιδιότητες διδιάστατων υμενίων διχαλκογενιδίων μετάλλων μετάπτωσης

Abstract

The doctoral dissertation investigates the growth, structural characterization and properties of two-dimensional transition metal dichalcogenide films exhibiting possible non-trivial topological features. These materials are of significant interest due to their unique properties, both from a fundamental research perspective and for their wide-ranging applications. Specifically, the doctoral thesis focuses on the topological Dirac semimetals HfTe2, ZrTe2 and HfxZr1-xTe2, on the topological insulator Bi2Se3, the ferromagnetic CrxTey and the heterostructure of ferromagnetic Fe5GeTe2 with Pt. The aforementioned materials were grown at the Institute of Nanoscience and Nanotechnology of the National Center for Scientific Research “Demokritos” using molecular beam epitaxy (MBE) and chemical vapor deposition (CVD). A comprehensive suite of in situ and ex situ surface characterization techniques was employed, including reflection high-energy electron diffraction (RHEED), scanning tunneling microscopy (STM), X-ray and ultraviolet photoelectron spectroscopy (XPS and UPS), as well as angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES). These methods enabled detailed examination of the crystallinity, stoichiometry, and electronic band structure of the materials, while their morphology was investigated using scanning electron microscopy (SEM). The topological Dirac semimetals were further studied at CELIA using laser-based ARPES, in order to elucidate their electronic band structure above the Fermi level and to investigate the carrier dynamics via pump-probe techniques with s- and p-linearly polarized probe pulses. The magnetic properties of CrxTey were evaluated through Kerr microscopy and the Fe5GeTe2/Pt heterostructure was examined as a potential THz radiation source at UDynI lab of CNR-IFN.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή περιγράφεται η ανάπτυξη, ο χαρακτηρισμός και η μελέτη των ιδιοτήτων διδιάστατων υμενίων διχαλκογενιδίων μετάλλων μετάπτωσης με πιθανές μη-τετριμμένες τοπολογικές ιδιότητες. Τα υλικά αυτά εμφανίζουν εν γένει ποικίλες ιδιαιτερότητες και ενδιαφέρον, τόσο σε επίπεδο βασικής έρευνας όσο και σε επίπεδο εφαρμογών (ηλεκτρονικές/σπιντρονικές, οπτοηλεκτρονικές, μαγνητικές, φωτοβολταϊκές διατάξεις κ.ά.). Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκαν τα τοπολογικά Dirac ημιμέταλλα HfTe2, ZrTe2 και HfxZr1-xTe2, ο τοπολογικός μονωτής Bi2Se3, το σιδηρομαγνητικό CrxTey και η ετεροδομή σιδηρομαγνητικού Fe5GeTe2 με Pt. Τα υλικά αναπτύχθηκαν στο Ινστιτούτο Νανοεπιστήμης και Νανοτεχνολογίας του Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. «Δημόκριτος» με τη μέθοδο της επιταξίας με μοριακές δέσμες (MBE) και της χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD), ενώ για το χαρακτηρισμό τους χρησιμοποιήθηκε μια σειρά από in situ και ex situ τεχνικές ανάλυσης επιφανειών, όπως περίθλαση ανακλώμενων ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας (RHEED), σαρωτικό μικροσκόπιο σήραγγας (STM), φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων από ακτίνες Χ και υπεριώδες (XPS και UPS), καθώς και από υπεριώδες υπό γωνία (ARPES), ώστε να εξεταστεί η κρυσταλλικότητα, η στοιχειομετρία και η δομή των ενεργειακών τους ζωνών, ενώ η μορφολογία τους διερευνήθηκε με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM). Τα τοπολογικά Dirac ημιμέταλλα μελετήθηκαν περαιτέρω στο CELIA με laser ARPES, ως προς τη δομή των ενεργειακών τους ζωνών πάνω από το επίπεδο Fermi και τη δυναμική των φορέων τους με την τεχνική άντλησης-ελέγχου (pump-probe), με χρήση s- και p-γραμμικά πολωμένης ακτινοβολίας ελέγχου. Το CrxTey μελετήθηκε ως προς τις μαγνητικές του ιδιότητες με μικροσκοπία Kerr, ενώ τέλος, η ετεροδομή Fe5GeTe2/Pt εξετάστηκε ως πηγή εκπομπής ακτινοβολίας THz στο UDynI του CNR-IFN.