We present an angle-resolved photoemission study of a ternary phase change material, namely Ge2Sb2Te5, epitaxially grown on Si(111) in the metastable cubic phase. The observed upper bulk valence band shows a minimum at Γ¯ being 0.3 eV below the Fermi level EF and a circular Fermi contour around Γ¯ with a dispersing diameter of 0.27–0.36 Å−1. This is in agreement with density functional theory calculations of the Petrov stacking sequence in the cubic phase which exhibits a topological surface state. The topologically trivial cubic Kooi-De Hosson stacking shows a valence band maximum at Γ in line with all previous calculations of the hexagonal stable phase exhibiting the valence band maximum at Γ for a trivial Z2 topological invariant ν0 and away from Γ for non-trivial ν0. Scanning tunneling spectroscopy exhibits a band gap of 0.4 eV around EF.

1.
B. A.
Volkov
and
O. A.
Pankratov
,
JETP Lett.
42
,
178
(
1985
).
2.
L.
Fu
,
C. L.
Kane
, and
E. J.
Mele
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
106803
(
2007
).
3.
M.
König
,
S.
Wiedmann
,
C.
Brüne
,
A.
Roth
,
H.
Buhmann
,
L. W.
Molenkamp
,
X.-L.
Qi
, and
S.-C.
Zhang
,
Science
318
,
766
(
2007
).
4.
D.
Hsieh
,
D.
Qian
,
L.
Wray
,
Y.
Xia
,
Y. S.
Hor
,
R. J.
Cava
, and
M. Z.
Hasan
,
Nature
452
,
970
(
2008
).
5.
S. V.
Eremeev
,
G.
Landolt
,
T. V.
Menshchikova
,
B.
Slomski
,
Y. M.
Koroteev
,
Z. S.
Aliev
,
M. B.
Babanly
,
J.
Henk
,
A.
Ernst
,
L.
Patthey
 et al,
Nat. Commun.
3
,
635
(
2012
).
6.
Y.
Ando
,
J. Phys. Soc. Jpn.
82
,
102001
(
2013
).
7.
M.
Wuttig
and
N.
Yamada
,
Nature Mater.
6
,
824
(
2007
).
8.
M.
Wuttig
and
S.
Raoux
,
Z. Anorg. Allg. Chem.
638
,
2455
(
2012
).
9.
D.
Lencer
,
M.
Salinga
,
B.
Grabowski
,
T.
Hickel
,
J.
Neugebauer
, and
M.
Wuttig
,
Nature Mater.
7
,
972
(
2008
).
10.
S. R.
Ovshinsky
,
Phys. Rev. Lett.
21
,
1450
(
1968
).
11.
N.
Yamada
,
E.
Ohno
,
N.
Akahira
,
K.
Nishiuchi
,
K.
Nagata
, and
M.
Takao
,
Jpn. J. Appl. Phys.
26
,
61
(
1987
).
12.
N.
Yamada
,
E.
Ohno
,
K.
Nishiuchi
,
N.
Akahira
, and
M.
Takao
,
J. Appl. Phys.
69
,
2849
(
1991
).
13.
D.
Loke
,
T. H.
Lee
,
W. J.
Wang
,
L. P.
Shi
,
R.
Zhao
,
Y. C.
Yeo
,
T. C.
Chong
, and
S. R.
Elliott
,
Science
336
,
1566
(
2012
).
14.
F.
Xiong
,
A. D.
Liao
,
D.
Estrada
, and
E.
Pop
,
Science
332
,
568
(
2011
).
15.
D.
Hsieh
,
Y.
Xia
,
D.
Qian
,
L.
Wray
,
F.
Meier
,
J. H.
Dil
,
J.
Osterwalder
,
L.
Patthey
,
A. V.
Fedorov
,
H.
Lin
 et al,
Phys. Rev. Lett.
103
,
146401
(
2009
).
16.
H.
Zhang
,
C.-X.
Liu
,
X.-L.
Qi
,
X.
Dai
,
Z.
Fang
, and
S.-C.
Zhang
,
Nat. Phys.
5
,
438
(
2009
).
17.
C.
Pauly
,
G.
Bihlmayer
,
M.
Liebmann
,
M.
Grob
,
A.
Georgi
,
D.
Subramaniam
,
M. R.
Scholz
,
J.
Sanchez-Barriga
,
A.
Varykhalov
,
S.
Blügel
 et al,
Phys. Rev. B
86
,
235106
(
2012
).
18.
J.
Kim
,
J.
Kim
, and
S.-H.
Jhi
,
Phys. Rev. B
82
,
201312
(
2010
).
19.
J.
Kim
,
J.
Kim
,
K.-S.
Kim
, and
S.-H.
Jhi
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
146601
(
2012
).
20.
J.
Kim
and
S.-H.
Jhi
,
Phys. Status Solidi B
249
,
1874
(
2012
).
21.
I. V.
Silkin
,
Y. M.
Koroteev
,
G.
Bihlmayer
, and
E. V.
Chulkov
,
Appl. Surf. Sci.
267
,
169
(
2013
).
22.
J.-B.
Park
,
G.-S.
Park
,
H.-S.
Baik
,
J.-H.
Lee
,
H.
Jeong
, and
K.
Kim
,
J. Electrochem. Soc.
154
,
H139
(
2007
).
23.
I. I.
Petrov
,
R. M.
Imamov
, and
Z. G.
Pinsker
,
Sov. Phys. Crystallogr.
13
,
339
(
1968
).
24.
B. J.
Kooi
and
J. T. M. D.
Hosson
,
J. Appl. Phys.
92
,
3584
(
2002
).
25.
Z.
Sun
,
J.
Zhou
, and
R.
Ahuja
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
055507
(
2006
).
26.
T.
Matsunaga
,
N.
Yamada
, and
Y.
Kubota
,
Acta Crystallogr. B
60
,
685
(
2004
).
27.
N.
Yamada
and
T.
Matsunaga
,
J. Appl. Phys.
88
,
7020
(
2000
).
28.
Y. J.
Park
,
J. Y.
Lee
,
M. S.
Youm
,
Y. T.
Kim
, and
H. S.
Lee
,
J. Appl. Phys.
97
,
093506
(
2005
).
29.
B.
Sa
,
J.
Zhou
,
Z.
Song
,
Z.
Sun
, and
R.
Ahuja
,
Phys. Rev. B
84
,
085130
(
2011
).
30.
B.
Sa
,
J.
Zhou
,
Z.
Sun
, and
R.
Ahuja
,
Europhys. Lett.
97
,
27003
(
2012
).
31.
F.
Katmis
,
R.
Calarco
,
K.
Perumal
,
P.
Rodenbach
,
A.
Giussani
,
M.
Hanke
,
A.
Proessdorf
,
A.
Trampert
,
F.
Grosse
,
R.
Shayduk
 et al,
Cryst. Growth Des.
11
,
4606
(
2011
).
32.
P.
Rodenbach
,
R.
Calarco
,
K.
Perumal
,
F.
Katmis
,
M.
Hanke
,
A.
Proessdorf
,
W.
Braun
,
A.
Giussani
,
A.
Trampert
,
H.
Riechert
 et al,
Phys. Status Solidi (RRL)
6
,
415
(
2012
).
33.
Y.
Takagaki
,
A.
Giussani
,
K.
Perumal
,
R.
Calarco
, and
K.-J.
Friedland
,
Phys. Rev. B
86
,
125137
(
2012
).
34.
A.
Giussani
,
K.
Perumal
,
M.
Hanke
,
P.
Rodenbach
,
H.
Riechert
, and
R.
Calarco
,
Phys. Status Solidi B
249
,
1939
(
2012
).
35.
Y.
Takagaki
,
A.
Giussani
,
J.
Tominaga
,
U.
Jahn
, and
R.
Calarco
,
J. Phys. Condens. Matter
25
,
345801
(
2013
).
36.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4847715 for further information on sample preparation, crystallographic directions, additional ARPES spectra, and calculations.
37.
Z.
Zhang
,
J.
Pan
,
Y. L.
Foo
,
L. W.-W.
Fang
,
Y.-C.
Yeo
,
R.
Zhao
,
L.
Shi
, and
T.-C.
Chong
,
Appl. Surf. Sci.
256
,
7696
(
2010
).
38.
T.
Nonaka
,
G.
Ohbayashi
,
Y.
Toriumi
,
Y.
Mori
, and
H.
Hashimoto
,
Thin Solid Films
370
,
258
(
2000
).
39.
V. L.
Deringer
and
R.
Dronskowski
,
J. Phys. Chem. C
117
,
15075
(
2013
).
40.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
41.
H.
Krakauer
,
M.
Posternak
, and
A. J.
Freeman
,
Phys. Rev. B
19
,
1706
(
1979
).
42.
D.
Hsieh
,
Y.
Xia
,
L.
Wray
,
D.
Qian
,
A.
Pal
,
J. H.
Dil
,
J.
Osterwalder
,
F.
Meier
,
G.
Bihlmayer
,
C. L.
Kane
 et al,
Science
323
,
919
(
2009
).
43.
D.
Hsieh
,
Y.
Xia
,
D.
Qian
,
L.
Wray
,
J. H.
Dil
,
F.
Meier
,
J.
Osterwalder
,
L.
Patthey
,
J. G.
Checkelsky
,
N. P.
Ong
 et al,
Nature
460
,
1101
(
2009
).
44.
Y.
Xia
,
D.
Qian
,
D.
Hsieh
,
L.
Wray
,
A.
Pal
,
H.
Lin
,
A.
Bansil
,
D.
Grauer
,
Y. S.
Hor
,
R. J.
Cava
 et al,
Nat. Phys.
5
,
398
(
2009
).
45.
I. A.
Nechaev
,
R. C.
Hatch
,
M.
Bianchi
,
D.
Guan
,
C.
Friedrich
,
I.
Aguilera
,
J. L.
Mi
,
B. B.
Iversen
,
S.
Blügel
,
P.
Hofmann
 et al,
Phys. Rev. B
87
,
121111
(
2013
).
46.
I.
Aguilera
,
C.
Friedrich
,
G.
Bihlmayer
, and
S.
Blügel
,
Phys. Rev. B
88
,
045206
(
2013
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.