Przeprowadzone na linii pomiarowej URANOS wysokojakościowe eksperymenty ARPES ujawniły strukturę pasmową i spinową w półprzewodniku ulegającym przejściu ferroelektrycznemu. Pomiary zależne od temperatury wykazały wpływ przejścia fazowego ferroelektryka na elektroniczną teksturę spinową.

Faza ferroelektryczna powoduje trwałą polaryzację elektryczną wewnątrz materiału, która znosi degenerację spinową pasm elektronowych. To rozszczepienie spinowe nazywane jest efektem Rashby i zostało bezpośrednio zaobserwowane za pomocą układu ARPES na linii pomiarowej URANOS (patrz Rys. 1). Pomiary zależne od temperatury (w zakresie od 10 do 300 K) ujawniły pojawienie się rozszczepienia Rashby dla temperatur niższych od temperatury krytycznej przejścia fazowego. W ten sposób zbadano w szerokim zakresie składu (x=0 do 10%) fazę ferroelektryczną związków Pb_1-xGe_xTe Co istotne, zaobserwowano, że zachowanie ferroelektryczne utrzymuje się nawet dla bardzo cienkich warstw (8 nm). 

Uzyskane widma ARPES umożliwiły dokładną ilościową ocenę tekstury spinowej Rashby w fazie ferroelektrycznej i jej ewolucji wraz z temperaturą. Parametr porządku przejścia fazowego został określony w odniesieniu do rozszczepienia spinowego i ustalony poprzez porównywanie wyników ARPES do modelu k·p opracowanego dla ferroelektrycznych studni kwantowych. W ten sposób w pracy przedstawiono bezpośrednią zależność między rozszczepieniem spinowym mierzonym w ARPES a ferroelektryczną deformacją atomową mierzoną w dyfrakcji rentgenowskiej.

Rozszczepienie Rashby definiujące zniesienie degeneracji spinowej lub stopień polaryzacji spinowej w strukturze zostało w tych związkach ustalone na poziomie do 2 eV·Å. Jest to wynik porównywalny do najnowocześniejszych ferroelektrycznych półprzewodników Rashby, takich jak GeTe czy SnTe. Układ Pb_1-xGe_xTe lepiej nadaje się jednak do zastosowań w urządzeniach elektronicznych, ponieważ jego temperatura krytyczna przypada w temperaturze pokojowej. Cechuje się przy tym niską koncentracją nośników, co zapobiega ich przeciekom pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego oraz prostą przerwą energetyczną. W pracy, dzięki bezpośrednim obserwacjom, podkreślono również wyjątkowe właściwości elektroniczne i spinowe ferroelektrycznych półprzewodników Rashby oraz dowiedziono, że wysokorozdzielcza metoda ARPES to potężna technika do odkrywania i badania nowych tego typu materiałów.

Rysunek 1. Widma ARPES zależne od temperatury zmierzone na studni kwantowej Pb_0.93Ge_0.07Te o grubości 8 nm. Zniesienie degeneracji pasma jest wyraźnie obserwowane powyżej temperatury krytycznej Tc, co wskazuje na ferroelektryczną przemianę fazową. Efekt Rashby nasila się wraz ze spadkiem temperatury.

Autor: Gauthier Krizman

Link do publikacji : G. Krizman, T. Zakusylo, L. Sajeev, M. Hajlaoui, T. Takashiro, M. Rosmus, N. Olszowska, J. Kołodziej, G. Bauer, O. Caha, G. Springholz, A Novel Ferroelectric Rashba Semiconductor, Advanced Materials, 2310278(2023), https://doi.org/10.1002/adma.202310278