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Type: Tese de Doutorado
Title: Estudos das propriedades morfológicas e eletrônicas em: interfaces grafeno/metal e isolantes topológicos
Authors: Wendell Sim?es e Silva
First Advisor: Edmar Avellar Soares
First Co-advisor: Vagner Eustaquio de Carvalho
First Referee: Leandro Malard Moreira
Second Referee: Gustavo Almeida Magalhaes Safar
Third Referee: Roberto Hiroki Miwa
metadata.dc.contributor.referee4: Julio Criginski Cezar
Abstract: No corpo dessa tese de doutorado serão apresentados os resultados de dois sistemas diferentes. O primeiro envolve o isolante topológico Bi(1x)Sbx(110), cujo trabalho foi realizado durante meu estágio sanduíche no doutorado e o segundo envolve o crescimento de grafeno na superfície vicinal de platina Pt(533), realizado durante meu doutorado. Os Isolantes topológicos suportam estados de superfície metálicos que formam linhas fechadas envolvendo um número ímpar de pontos, do espaço recíproco, no nível de Fermi. Esses pontos são momentos invariantes à reversão temporal, comumente conhecidos por sua sigla em inglês Trims, onde os pontos de Dirac se localizam. Até o momento, estudos experimentais se concentraram basicamente em superfícies com apenas um ponto de Dirac, mas três pontos também são esperados para diferentes orientações da superfície de alguns materiais isolantes topológicos. O Bi(1x)Sbx(110) possui três pontos de Dirac previsto por Teo et. al. [1], em contraste com a superfície (111) do mesmo material que possui apenas um ponto de Dirac. O estudo da estrutura eletrônica do Bi(1x)Sbx(110) foi feita usando a técnica experimental de espectroscopia de fotoemissão resolvida em ângulo, ARPES, que não só confirmou a existência de estados de superfícies metálicos, como também confirmou a presença de envoltórios de Fermi em um número ímpar de Trims. As superfícies vicinais são um tipo de substrato de grande importância em áreas como: 1) catálise, aplicada diretamente na oxidação da amônia [2], 2) eletrônica, devido ao confinamento de elétrons nos terraços causado pelas barreiras de potencial nos degraus [3] e 3) no crescimento auto organizado de moléculas compostas por carbono, como por exemplo, o propeno (C3H6 ) e o grafeno. A superfície Pt(533) possui terraços na direção (111), o que é de grande interesse, uma vez que superfícies (111) tendem a possuir estados de superfícies próximos ao nível Fermi. De fato, na platina, esses estados são bem conhecidos [4]. Os experimentos foram realizados em uma câmara onde o substrato foi sujeito a um tratamento térmico com temperaturas da ordem de 800C que induziu o facetamento da superfície, em duas direções bem definidas, causado pela segregação de carbono para a superfície. Embora nesse caso as facetas apresentem direções diferentes, o mesmo padrão de facetamento apareceu quando a amostra foi submetida à temperatura de 650C em uma atmosfera de gás C3H6. A análise morfológica da superfície limpa e das facetas foi feita usando as técnicas de difração de elétrons de baixa energia, LEED, e microscopia de sondagem por tunelamento, STM enquanto a análise química foi realizada pela técnica de espectroscopia de fotoemissão por raio-X, XPS. Nossos resultados para a Pt(533) são análogos aos resultados encontrados para o Ni(755) e apresentados na referência [5]. Esse trabalho apresentado por D. Usachov et. al. mostra o crescimento de grafeno sobre o substrato, que acarreta no aumento a tensão superficial e consequentemente no facetamento da superfície vicinal. Com base nos nossos resultados experimentais e nos da referência [5], realizamos cálculos teóricos simulando a dinâmica de difração dos elétrons de uma rede de grafeno expandida de 2%. Os resultados foram bastante consistente com a presença do grafeno sobre as facetas criadas na Pt(533).
Abstract: This thesis presents the topological insulator Bi(1x)Sbx(110) ARPES results and the graphene growth on Pt(533) vicinal surface. The topological insulators support metallic surface states with closed Fermi contours encircling an odd number of Trims. So far, the experimental studies has had the focus centered, basically, at surfaces with only one Dirac point, nevertheless, three points are also expected for certain surfaces orientations of several topological insulators. Here, we are going to present the data of Bi(1x)Sbx(110) eletronic structure which has three Dirac points and was predicted by Teo et all [1], in contrast to closed-packed (111) of the same material that supports only one Dirac point. Using angle-resolve photoemission spectroscopy we observed the expected metallic surface states with closed contours around the Trims at the Fermi level of the Bi(1x)Sbx(110) confirming the prediction of the surface states topology. The vicinal surfaces are of great importance in the field of catalyses, due to: 1) its application to ammonia oxidation, 2) eletronics, due to electron confinement at the terraces created by potential barriers on the steps and 3) as a template to the growth of carbon compound molecules, such as C3H6 and graphene. The Pt(533) surface has the step and terrace orientations at (100) and (111) direction, respectively. This is very important because (111) surfaces tend to possess surface states at the Fermi level. This states are quite known for the platinum substracts. The experiments were performed in a chamber where the Pt(533) substrtate was subjected to a heat treatment at a temperature around 800C which induced the surface faceting in two well-defined direction, caused by the segregation of carbon to the surface. The same faceting pattern occurred when we submit the sample to a C3H6 atmosphere at the temperature of 650C, although the facets now have different directions. Morphological analysis of the clean surface and facets were performed using the low-energy electrons diffraction, LEED, and scanning tunneling microscopy, STM. The chemical analysis was performed by X-ray photoelectron spectroscopy, XPS. Our results for Pt (533) are similar to results found for the Ni(755) as presented in D. Usachovs paper. They show that the graphene growth on the substrate increases the surface tension of the outer surface causing it to faceting. Based on our experimental results and the reference [5], we performed theoretical calculations simulating the dynamics of electron diffraction of a 2% graphene expanded lattice. The results were quite consistent with the presence of graphene on the facets created on Pt (533).
Subject: Isolantes topológico
Física de superfícies
Física
Grafeno
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/BUBD-A2PGX6
Issue Date: 18-Jul-2014
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