Механизмы рассеяния поверхностных электронов в топологических изоляторах

Abstract

Особенностью топологических изоляторов является наличие электронных, топологически защищенных квазичастичных поверхностных состояний, исключительно устойчивых к наличию примесей, однако структура спектра рассеяния поверхностных квазичастиц изучена слабо. Цель работы — определение структуры собственной энергии поверхностных состояний из анализа фотоэмиссионных спектров. В частности, детально исследовано уширение этих состояний в зависимости от энергии связи в Bi₂Se₃ и Bi₂Te₂Se — наиболее изученных топологических изоляторах. Выявленная ступенчатая структура уширения позволила выделить вклады упругого и неупругого межзонного рассеяния (поверхность–объем) в квазичастичную собственную энергию и показать, что оно сравнимо с упругим внутризонным рассеянием.

Особливістю топологічних ізоляторів є наявність електронних топологічно захищених квазічастинкових поверхневих станів, винятково стійких до наявності домішок, однак структуру спектра розсіяння поверхневих квазічастинок вивчено слабко. Мета роботи — визначення структури власної енергії поверхневих станів з аналізу фотоемісійних спектрів. Зокрема, детально досліджено уширення цих станів в залежності від енергії зв’язку у Bi₂Se₃ та Bi₂Te₂Se — найбільш досліджених топологічних ізоляторах. Виявлена сходинкова структура уширення дозволила виділити внески пружного та непружного міжзонного розсіяння (поверхня–об’єм) до квазічастинкової власної енергії та показати, що воно порівнянне з пружним внутрішньозонним розсіянням.

The uniqueness of topological insulators is in the presence of the topologically protected quasiparticle surface states, which are exceptionally resistant to presence of impurities, nevertheless the structure of the scattering spectrum of topological quasiparticles is not well studied. The aim of the work — determination of the surface states self-energy from photoemission spectra analysis. In particular, the binding energy dependence of the broadening of these states has been studied in detail in Bi₂Se₃ and Bi₂Te₂Se — the most explored topological insulators. The revealed stairstructure of the broadening made it possible to distinguish the contributions of the elastic and inelastic interband scattering (surface to bulk) to quasiparticle self-energy and to show that these contributions are comparable with the elastic intraband scattering