각분해광전자분광법을 이용한 표면 도핑된 흑린의 전자구조에 관한 연구

Abstract

이 학위논문에서는 흑린의 표면에 포타슘 원자를 도핑할 때 나타나는 전자구조의 변화를 각분해광전자분광법을 이용해 연구하였다. 흑린의 초기 0.34 eV의 띠틈은 도핑을 함에 따라 -0.6 eV까지 감소하는 것을 확인하였다. 띠틈이 음의 값을 가질 때, 결정의 미끄럼 거울 대칭면에 의해 보호되는 두 개의 디락 원뿔이 지그재그 축을 따라 형성되는 것을 관측하였다.

이 보통 절연체에서 위상 디랙 반금속 상태로 변화하는 위상 상전이 상에서 나타나는 유사 스핀 질서의 변화를 빛의 편광에 따른 각분해광전자분광법의 세기의 변화를 통해 측정하였다. 디랙 반금속 상태의 흑린에서는 그래핀에서 나타난 것과 동일하게 디랙 점을 중심으로 나선성을 가지는 유사 스핀의 질서가 나타남을 확인하였고, 이 나선성을 가지는 유사 스핀 질서는 보통 절연체 상태에서 원자가띠와 전도띠에 각각 유사 스핀이 서로 반대 방향으로 편향된 상태로 존재했기 때문에 나타날 수 있음을 확인하였다.

밀접 결합 근사 계산을 통해 실험에서 나타난 주요 현상들을 모사할 수 있었고, 이를 통해 흑린의 각분해광전자분광법 상 빛의 편광에 따른 세기의 변화가 유사 스핀의 질서에 의한 것임을 재확인하였다. 균일 변형이 가해진 그래핀에서 나타나는 위상 상전이 상의 유사 스핀 질서의 변화를 계산한 결과, 흑린의 위상 상전이에서 나타나는 유사 스핀 질서의 변화와 순서만 반대일 뿐 같은 현상을 보여준다는 것을 확인하였다.

위의 사실들을 통해 흑린의 저에너지 띠 구조를 단축변형된 그래핀으로써, 더 나아가 두 디랙 콘의 병합을 통해 띠틈이 열린 부분 격자 대칭성이 깨지지 않은 비등방적 벌집 격자 물질로 이해할 수 있다.

The two-dimensional materials have been actively studied since graphene was isolated layer by layer from graphite. Subsequently, other two-dimensional materials with band gaps such as transition metal dichalcogenides (TMDs), hexagonal boron nitride (h-BN), and black phosphorus began to emerge. These two-dimensional materials can be classified compared to graphene, which has the simplest lattice structure among them. The low energy band structure of TMD or h-BN can be understood as sublattice symmetry broken graphene. However, little is known about the relation between graphene and black phosphorus from this point of view. In this dissertation, the relation of the low energy band structures between black phosphorus and graphene is investigated in the language of the pseudospin. The order of the pseudospin by the existence of the sublattice symmetry in black phosphorus is explored by angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES). The experimetal setup is designed to constrast the ARPES intensity for the parities of the initial state and the polarization of the incident photon. The topological phase transition is realized by surface chemical doping technique with a K dispencer. The pseudospin textures on the conduction and the valence bands (CB, VB) in Dirac semimetal phase are revealed to show the chiral structure at the Dirac cones as in graphene, and evolve to have anti-parallel polarizations to each other in the normal insulator phase. The tight-binding model calculations reproduce the observed pseudospin patterns with the same key features. Based on the tight-binding model calculations, the net pseudospin polarization at the VB (CB) have 100\% polarized to $\phi = \pi (0)$ on its maximum (minimum). The pseudospin textures of graphene are also calculated with anisotropic hopping integral, and shows the same key features as the reversal process of the Dirac cone pair creation in doped black phosphorus. This pseudospin polarization is identified as a consequence of Dirac cones merged in the highly anisotropic honeycomb system.