Бинарные соединения типа (Bi, Sb)2(Te,Se)3 – «классические» полупроводники, достаточно хорошо изученные в связи с их термоэлектрическими свойствами; наиболее часто в этом качестве используются соединения Bi2Te3 и Bi2Se3. Однако, недавние исследования снова обратили внимание ученых на эти вещества в связи с изучением так называемых поверхностных электронных состояний.
Поверхностные состояния описывают свойства электронов, находящихся вблизи поверхности твердого тела. Не секрет, что широко известные теории о проводимости кристаллов основаны на главном постулате: бесконечности этого кристалла (за счет трансляционной симметрии). В реальности же граница существует у любого кристалла, а эффекты, связанные с ее существованием, тем сильнее, чем миниатюрнее становятся проводники и полупроводники. Нарушение симметрии вызывает сдвиг электронных уровней, в результате чего проводимость может изменяться, причем как в лучшую, так и в худшую сторону (в зависимости от направления и масштабов сдвига). Эти эффекты могут пагубно влиять на свойства транзисторов, т.к. pn-переход – это тоже граница.
Исследование физики поверхностных состояний – ключ к использованию «приграничных» эффектов в своих целях, вот почему в связи с этой проблемой исследователи снова и снова возвращаются к уже, казалось бы, описанным полупроводникам, в частности, к Bi2Se3.
Одна из главных проблем для «термоэлектрического» применения и в целом фундаментального исследования Bi2Se3 – создание p-варианта этого полупроводника (варианта с «дырочной» проводимостью). В чистом виде Bi2Se3 проявляет свойства n-типа (полупроводника с электронной проводимостью) из-за наличия вакантных связей селена, являющихся источниками свободных электронов. А вот создание свободных «дырок», т.е. потенциальный путь к управлению уровнем Ферми, является гораздо более сложной задачей.
Группа ученых из Принстонского Университета опубликовала работу в журнале Physical Review B, где отчиталась об успешных экспериментах по решению этой проблемы. Основываясь на гипотезах химии дефектов, ученые предложили методику добавления свободных «дырок» за счет замены некоторых атомов висмута кальцием (замене подверглись менее 1% атомов).
Для визуального контроля полученных дефектов и измерения их заряда использовались технологии СТМ. Исследования методами туннельной микроскопии показывают, что кальций действует как донор «дырок», которые компенсируют существующие свободные электроны (существующие благодаря атомам селена). Фотоэмиссионная спектроскопия, в свою очередь, показывает, что добавление «дырок» позволяет существенно снизить уровень Ферми (относительно его положения в «чистом» варианте Bi2Se3), открывая, таким образом, доступ к изучению поверхностных состояний данного вещества. Уровень Ферми в отдельно взятом кристалле был снижен примерно на 400 мэВ, таким образом, попав в валентную зону.
