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Fußzeile bei Bedarf Prof. Dr. Max Mustermann Lehrstuhl für XYZ FAKULTÄT FÜR PHYSIK Dr. Max Mustermann Referat Kommunikation & Marketing Verwaltung Ralf.

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1 Fußzeile bei Bedarf Prof. Dr. Max Mustermann Lehrstuhl für XYZ FAKULTÄT FÜR PHYSIK Dr. Max Mustermann Referat Kommunikation & Marketing Verwaltung Ralf Fischer Institute for Experimental and Applied Physics Chair Professor Weiss Magnetocapacitance and transport measurements on HgTe-based 3D topological insulators

2 Fußzeile bei Bedarf Prof. Dr. Max Mustermann Lehrstuhl für XYZ FAKULTÄT FÜR PHYSIK Outline 1.HgTe as a 3D topological insulator 2.Sample design 3.Transport measurements 4.Capacitance measurements 5.Summary Collaborators Johannes Ziegler Dieter Weiss (Regensburg) Dima Kozlov Nikolai Mikhailov Sergey Dvoretsky (Novosibirsk)

3 Fußzeile bei Bedarf Prof. Dr. Max Mustermann Lehrstuhl für XYZ FAKULTÄT FÜR PHYSIK Topological insulators are electronic materials that have a bulk band gap like an ordinary insulator but have protected conducting states on their edge or surface. HgTe as a 3D topological insultor Hasan, Kane. Rev. Mod. Phys. 82(4), 3045 (2010). Kong, Cui. Nat. Chem. 3(11), 845–849 (2011). 2D 3D

4 Fußzeile bei Bedarf Prof. Dr. Max Mustermann Lehrstuhl für XYZ FAKULTÄT FÜR PHYSIK HgTe as a 3D topological insulator HgTe unstrained HgTe has an inverted band structure But HgTe is a semimetal -> no bandgap S.C. Wu, B. Yan, C. Felser, EPL, 107 (2014) 57006

5 Fußzeile bei Bedarf Prof. Dr. Max Mustermann Lehrstuhl für XYZ FAKULTÄT FÜR PHYSIK HgTe as a 3D topological insulator HgTe unstrainedHgTe strained S.C. Wu, B. Yan, C. Felser, EPL, 107 (2014) By growing HgTe on CdTe the HgTe layer is strained due to the lattice mismatch between HgTe and CdTe -> A small gap opens

6 Fußzeile bei Bedarf Prof. Dr. Max Mustermann Lehrstuhl für XYZ FAKULTÄT FÜR PHYSIK Sample design Kozlov, Kvon, Olshanetsky, Mikhailov, Dvoretsky, Weiss. Phys. Rev. Lett. 112(19), (2014).

7 Fußzeile bei Bedarf Prof. Dr. Max Mustermann Lehrstuhl für XYZ FAKULTÄT FÜR PHYSIK Kozlov, Kvon, Olshanetsky, Mikhailov, Dvoretsky, Weiss. Phys. Rev. Lett. 112(19), (2014)

8 Fußzeile bei Bedarf Prof. Dr. Max Mustermann Lehrstuhl für XYZ FAKULTÄT FÜR PHYSIK Transport measurements Quantum-Hall Effect is formed by two surfaces

9 Fußzeile bei Bedarf Prof. Dr. Max Mustermann Lehrstuhl für XYZ FAKULTÄT FÜR PHYSIK Screening Kozlov, Kvon, Olshanetsky, Mikhailov, Dvoretsky, Weiss. Phys. Rev. Lett. 112(19), (2014). Top and bottom surface have different carrier densities and mobilities Higher mobility is connected to a smaller Landau level broadening -> Shubnikov de Haas oscillations at lower magnetic fields 1 1

10 Fußzeile bei Bedarf Prof. Dr. Max Mustermann Lehrstuhl für XYZ FAKULTÄT FÜR PHYSIK Transport measurements Period of low field oscillations arise top surface carrier density Period of high field oscillations arise from total carrier density

11 Fußzeile bei Bedarf Prof. Dr. Max Mustermann Lehrstuhl für XYZ FAKULTÄT FÜR PHYSIK Transport measurements Slope changes Period of low field oscillations arise top surface carrier density Period of high field oscillations arise from total carrier density

12 Fußzeile bei Bedarf Prof. Dr. Max Mustermann Lehrstuhl für XYZ FAKULTÄT FÜR PHYSIK Transport measurements 1 1 Fitted by the two-carrier drude model (i=2)

13 Fußzeile bei Bedarf Prof. Dr. Max Mustermann Lehrstuhl für XYZ FAKULTÄT FÜR PHYSIK Capacitance measurements measured capacitance most sensitive to top layer usual result for conventional 2DES Equivalent cicuit for E F in the gap : Total capacitance depends also on quantum capacitance

14 Fußzeile bei Bedarf Prof. Dr. Max Mustermann Lehrstuhl für XYZ FAKULTÄT FÜR PHYSIK Capacitance measurements

15 Fußzeile bei Bedarf Prof. Dr. Max Mustermann Lehrstuhl für XYZ FAKULTÄT FÜR PHYSIK Capacitance measurements N e extracted from capacitance measurements matches well with N e from low field SdH oscillations -> Capacitance measurements are most sensitive to the top surface

16 Fußzeile bei Bedarf Prof. Dr. Max Mustermann Lehrstuhl für XYZ FAKULTÄT FÜR PHYSIK Capacitance measurements Reduced slope dB/dV G reflects E F entering the conduction band C-C B=0 [ F]

17 Fußzeile bei Bedarf Prof. Dr. Max Mustermann Lehrstuhl für XYZ FAKULTÄT FÜR PHYSIK Transport measurements σ xx [10 -5 S]

18 Fußzeile bei Bedarf Prof. Dr. Max Mustermann Lehrstuhl für XYZ FAKULTÄT FÜR PHYSIK Comparison

19 Fußzeile bei Bedarf Prof. Dr. Max Mustermann Lehrstuhl für XYZ FAKULTÄT FÜR PHYSIK Summary Transport measurements Quantum Hall Effect is formed by two surfaces Period of high field oscillations arise from total carrier sensity Low field oscillations arise from top surface N e of the top surface Capacitance measurements N e from capacitance matches with N e from low field oscillations Capacitance measurements probes mainly the top surface Possibility to disentangle contributions from top and bottom surface by comparing transport and capacitance

20 Fußzeile bei Bedarf Prof. Dr. Max Mustermann Lehrstuhl für XYZ FAKULTÄT FÜR PHYSIK Thank you!

21 Fußzeile bei Bedarf Prof. Dr. Max Mustermann Lehrstuhl für XYZ FAKULTÄT FÜR PHYSIK HgTe as a 3D topological insulator Calculation of the local density of states: Demonstration of the surface states Good agreement with experimental ARPES measurement S.C. Wu, B. Yan, C. Felser, EPL, 107 (2014) 57006

22 Fußzeile bei Bedarf Prof. Dr. Max Mustermann Lehrstuhl für XYZ FAKULTÄT FÜR PHYSIK Transport measurements V gate [V]

23 Fußzeile bei Bedarf Prof. Dr. Max Mustermann Lehrstuhl für XYZ FAKULTÄT FÜR PHYSIK Capacitance measurements

24 Fußzeile bei Bedarf Prof. Dr. Max Mustermann Lehrstuhl für XYZ FAKULTÄT FÜR PHYSIK HgTe as a 3D topological insulator Band inversion due to strong spin-orbit interaction B.A.Volkov, O.A. Pankratov, JETP Letters (1985); L.G. Gerchikov, A.V. Subashev, phys. stat. sol. (b) 160, 443 (1990)

25 Fußzeile bei Bedarf Prof. Dr. Max Mustermann Lehrstuhl für XYZ FAKULTÄT FÜR PHYSIK HgTe as a 3D topological insulator At the interface the band gap needs to close ->2D Dirac-like surface states B.A.Volkov, O.A. Pankratov, JETP Letters (1985); L.G. Gerchikov, A.V. Subashev, phys. stat. sol. (b) 160, 443 (1990)

26 Fußzeile bei Bedarf Prof. Dr. Max Mustermann Lehrstuhl für XYZ FAKULTÄT FÜR PHYSIK Transport measurements


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