Термоэлектрические свойства и поверхностные состояния в слоях топологических изоляторов Bi2Te3

Thermoelectric properties and Shubnikov de Haas (SdH) oscillations of single crystals layers of an n-type bismuth telluride topological insulator (ТI) are investigated. The monocrystalline Bi2Te3 layers are prepared by the mechanical exfoliations of layers from a monocrystalline ingot with a respective structure. From experimental data on SdH oscillations both in longitudinal (H ∥ I) and in perpendicular (H ⊥ I) magnetic fields at temperature of 2.1–4.2 K, the cyclotron effective mass, Dingle temperature and the quantum mobility of charge carriers are calculated. It is revealed that the phase shift of the Landau levels index is 0.5 both for the parallel and perpendicular magnetic fields; this finding is attributed to the Berry phase of the surface state. From temperature dependences of resistance and thermo-power, the power factor in a temperature range of 2–300 K was calculated. It is found that the maximum value of the power factor was observed in a temperature range of 100–250 K; it corresponds to the best maximum values available in literature at temperatures above 300 K for perfect single-crystals. Taking into account that heat conductivity in thin layers is essentially lower than in bulk samples, it is reasonable to expect considerable enhancement of thermoelectric efficiency over a wide temperature range, which is of great importance for the development of new highly effective thermoelectric materials based on thinner Bi2Te3 ТI layers for practical applications in thermogenerators and coolers. Исследованы термоэлектрические свойства и осцилляции Шубникова-де-Гааза (ШдГ) монокристаллических слоев топологического изолятора (ТИ) теллурида висмута n–типа. Монокристаллические слои Bi2Te3 получались механическим отслаиванием слоев от монокристалли-ческого слитка соответствующего состава. Из экспериментальных данных по осцилляциям ШдГ как в продольном (H ∥ I), так и в поперечном (H ⊥ I) магнитных полях при температурах 2,1–4,2 К рассчитаны циклотронные эффективные массы, температура Дингла и квантовые подвижности носителей заряда. Обнаружено, что фазовый сдвиг индекса уровней Ландау имеет значение 0,5 как для параллельного, так и для перпендикулярного магнитных полей, что связано с фазой Берри поверхностных состояний. Из температурных зависимостей сопротивления и термоэдс рассчитан фактор мощности в интервале температур 2–300 К. Установлено максимальное значение фактора мощности α2σ в интервале температур 100–250 К, который соответствует максимальным значениям для совершенных монокристаллов, имеющимся в литературе. Учитывая, что теплопроводность в тонких слоях существенно меньше, чем в массивных образцах, следует ожидать значительного возрастания термоэлектрической эффективности в широкой области температур, что является важным фактором для разработки новых высокоэффективных термоэлектрических материалов на базе более тонких слоев ТИ Bi2Te3 для практического использования их в термогенераторах и охладителях.