Interdependência entre estrutura atômica e eletrônica de grafeno multicamada e isolantes topológicos

Neste trabalho, estudamos as propriedades estruturais e eletrônicas de dois materiais que possuem comportamentos bidimensionais interessantes: grafeno epitaxial multicamada e um isolante topológico em específico, o Bi2Te3. A identificação do comportamento bidimensional do grafeno foi realizada por diversas técnicas no decorrer deste trabalho, entre elas, difração de raios-X (do inglês X-ray diffraction, XRD), espectroscopia Raman e absorção de raios-X na borda do carbono (do inglês near edge X-ray absorption fine structure, NEXAFS). Nós estudamos três amostras diferentes crescidas a partir de um substrato de SiC, que foram submetidas a diferentes tempos de crescimento, a fim de estabelecer uma relação entre o tempo de crescimento e o comportamento típico de grafeno (amostra de 60 minutos de crescimento) ou grafite (amostra de 30 minutos) dessas amostras. Comparando os perfis de absorção das amostras, vemos que a amostra de 45 minutos apresenta um perfil intermediário às outras duas estudadas. Ainda observamos e justificamos a existência de um estado de potencial imagem para a amostra de 60 minutos de crescimento. Logo, podemos tratá-lo como um estado referente ao grafeno. O início da pesquisa em torno da segunda amostra por nós estudada se deu com a observação dos diferentes níveis topográficos da amostra de Bi2Te3 com a utilização de microscopia de varredura por tunelamento (do nglês scanning tunneling microscopy, STM). Também foi realizado um estudo teórico para explicar a complexa estrutura eletrônica deste isolante topológico e simular possíveis terminações atômicas estáveis. Esta amostra ainda foi caracterizada através de difração de raios-X no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron. Os dados lá obtidos foram analisados e comparados a um modelo teórico. Através de nossos estudos, pudemos comprovar que uma bicamada de bismuto surge como um segundo estado estável em cima da amostra de cinco monocamadas de Bi2Te3, se comportando como um gás bidimensional clássico de elétrons. O crescimento dessa bicamada é realizado através da submissão da amostra a altas temperaturas mas, uma vez obtido, o estado se torna estável a temperatura ambiente. The structural and electronical properties of two materials with interesting bidimensional behavior were studied in this work: Multilayer Epitaxial Graphene and a topological insulator (Bi2Te3). Identification of the two-dimensional behavior of graphene was held by several techniques, among them, X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy and Near Edge X-ray Absorption Fine Structure (NEXAFS). We studied three different samples grown by heating of a SiC substrate for different times to establish a relationship between the time of growth and graphene-like or graphite-like behaviour. Comparing the absorption profiles of these samples, we see that the sample of 45 minutes presents an intermediate profile to the others. We observe and justify the existence of an image potential state for sample of 60 minutes. Hence, we can treat it as a state of the Graphene. Our second study of interest started with the observation of different atomic levels of the sample of Bi2Te3 using Scanning Tunneling Microscopy (STM). A theoretical study was performed to explain the electronic structure of the topological insulator and simulate possible stable atomic terminations. The sample was also characterized by X-ray diffraction at the National Laboratory of Synchrotron Light at the XRD2 beam. Data was analyzed and compared to theoretical models. Through our studies, we demonstrate that a Bismuth bilayer emerges as a second stable state upon the sample of five monolayers of Bi2Te3, behaving like a two-dimensional classical electron gas. The growth of this bilayer is accomplished through the submission of the sample at high temperatures but, once we obtain this configuration, the state becomes stable at room temperature.