Thesis:

Síntesis y caracterización de aislantes topológicos nano estructurados

Un aislante topológico (TI) es un material que se comporta como aislante en el bulto, pero tiene estados electrónicos en su superficie. Una problemática en el estudio de estos materiales es la aparición de defectos en la síntesis que provoca estados electrónicos de bulto que interfieren en los estados superficiales. Una forma de favorecer la presencia de estos estados superficiales es a través de nanoestructuras de TIs, gracias a su alta razón superficie-bulto que reduce las posibles contribuciones del bulto. Debido a esto, en este trabajo se presenta el desarrollo de una metodología de síntesis CVD por método Vapor-Sólido de heteroestructuras de TI/Grafeno compuestas de nanoplatos (NPs) de los aislantes topológicos Bi2Te3 y Sb2Te3 sobre grafeno monocapa, para su uso en estudios de sus estados electrónicos locales, dependientes del espesor. Para la optimización de esta metodología de crecimiento, se estudió el efecto de los parámetros de crecimiento en la síntesis de estos materiales. Estos parámetros estudiados fueron la temperatura en la zona de los polvos precursores, la temperatura del sustrato, el flujo de argón y el tiempo de crecimiento. Para la caracterización de estas heteroestructuras, en términos de morfología, espesor, composición y calidad cristalina, se utilizó espectroscopía Raman, microscopía electrónica de barrido, fluorescencia de rayos X por energía dispersiva, microscopía de fuerza atómica y microscopía de efecto túnel. Finalmente se presentan estudios preliminares de sus estados electrónicos locales realizados por espectroscopia de efecto túnel de baja temperatura. Se obtuvo que en estas heteroestructuras los NPs obtenidos presentan una variedad de espesores, principalmente en el rango de 5-30 [nm] y dimensiones laterales en el rango de 0,2-5 [µm], con una alta densidad de crecimiento y separados uno del otro. Se observo que los NPs tienen una composición homogénea y se observó la presencia de defectos intrínsecos que afectan los estados electrónicos locales.

A topological insulator (TI) is a material that behaves as an insulator in its bulk, yet possesses electronic states on its surface. A challenge in the study of these materials is the emergence of defects during synthesis, which give rise to bulk electronic states that interfere with the surface states. One way to promote the presence of these surface states is by using TI nanostructures; their high surface-to-bulk ratio helps minimize potential contributions from the bulk. In this work, we present the development of a chemical vapor deposition (CVD) synthesis methodology—based on a vapor-solid process—for TI/graphene heterostructures. These heterostructures consist of nanoplatelets (NPs) of the topological insulators Bi2Te3 and Sb2Te3 grown on monolayer graphene, intended for the study of their local, thickness-dependent electronic states. To optimize this growth methodology, we investigated the influence of various synthesis parameters, including the temperature of the precursor powder zone, the substrate temperature, the argon flow rate, and the growth duration. The heterostructures were characterized in terms of morphology, thickness, composition, and crystalline quality using Raman spectroscopy, scanning electron microscopy, energy-dispersive X-ray spectroscopy, atomic force microscopy, and scanning tunneling microscopy. Finally, we present preliminary studies of their local electronic states, conducted via low-temperature scanning tunneling spectroscopy. The results show that the NPs obtained in these heterostructures exhibit a range of thicknesses—primarily between 5 and 30 nm—and lateral dimensions between 0.2 and 5 µm; they are characterized by a high growth density, with the individual nanoplatelets remaining spatially separated from one another. It was observed that the NPs have a homogeneous composition, and the presence of intrinsic defects affecting local electronic states was noted.