Using ultrafast optical pump-probe technique, we studied the temperature-dependent carrier and phonon dynamics of the topological insulator Bi1.5Sb0.5Te1.8Se1.2 single-crystal from 10 K to 300 K. Two relaxation processes of carriers and coherent optical/acoustic phonons have been observed. By using the two-temperature model, we are able to attribute the fast (∼ps) relaxation component to carrier-phonon coupling involving carriers in the conduction band. We also studied the temperature dependence of the dephasing time and frequency of optical phonon, and the optical penetration depth of Bi1.5Sb0.5Te1.8Se1.2.
REFERENCES
1.
J. E.
Moore
, Nature
464
, 194
(2010
).2.
M. Z.
Hasan
and C. L.
Kane
, Rev. Mod. Phys.
82
, 3045
(2010
).3.
A. A.
Taskin
, Z.
Ren
, S.
Sasaki
, K.
Segawa
, and Y.
Ando
, Phys. Rev. Lett.
107
, 016801
(2011
).4.
P.
Di Pietro
, F. M.
Vitucci
, D.
Nicoletti
, L.
Baldassarre
, P.
Calvani
, R.
Cava
, Y. S.
Hor
, U.
Schade
, and S.
Lupi
, Phys. Rev. B
86
, 045439
(2012
).5.
B.
Xia
, P.
Ren
, A.
Sulaev
, P.
Liu
, S.-Q.
Shen
, and L.
Wang
, Phys. Rev. B
87
, 085442
(2013
).6.
R. H. M.
Groeneveld
, R.
Sprik
, and A.
Lagendijk
, Phys. Rev. B
51
, 11433
(1995
).7.
S. K.
Nair
, X.
Zou
, E. E. M.
Chia
, J.-X.
Zhu
, C.
Panagopoulos
, S.
Ishida
, and S.
Uchida
, Phys. Rev. B
82
, 212503
(2010
).8.
E. E. M.
Chia
, J.-X.
Zhu
, D.
Talbayev
, R. D.
Averitt
, A. J.
Taylor
, K.-H.
Oh
, I.-S.
Jo
, and S.-I.
Lee
, Phys. Rev. Lett.
99
, 147008
(2007
).9.
E. E. M.
Chia
, D.
Talbayev
, J.-X.
Zhu
, H. Q.
Yuan
, T.
Park
, J. D.
Thompson
, C.
Panagopoulos
, G. F.
Chen
, J. L.
Luo
, N. L.
Wang
, and A. J.
Taylor
, Phys. Rev. Lett.
104
, 027003
(2010
).10.
X. Q.
Zou
, D.
Zhan
, X. F.
Fan
, D.
Lee
, S. K.
Nair
, L.
Sun
, Z. H.
Ni
, Z. Q.
Luo
, L.
Liu
, T.
Yu
, Z. X.
Shen
, and E. E. M.
Chia
, Appl. Phys. Lett.
97
, 141910
(2010
).11.
Y.
Wang
, X. F.
Xu
, and R.
Venkatasubramanian
, Appl. Phys. Lett.
93
, 113114
(2008
).12.
S.
Li
, H.
Huang
, W. L.
Zhu
, W. F.
Wang
, K.
Chen
, D. X.
Yao
, Y.
Wang
, T. S.
Lai
, Y. Q.
Wu
, and F. X.
Gan
, J. Appl. Phys.
110
, 053523
(2011
).13.
A. Q.
Wu
, X. F.
Xu
, and R.
Venkatasubramanian
, Appl. Phys. Lett.
92
, 011108
(2008
).14.
Y. W.
Li
, V. A.
Stoica
, L.
Endicott
, G. Y.
Wang
, C.
Uher
, and R.
Clarke
, Appl. Phys. Lett.
97
, 171908
(2010
).15.
N.
Kumar
, B. A.
Ruzicka
, N. P.
Butch
, P.
Syers
, K.
Kirshenbaum
, J.
Paglione
, and H.
Zhao
, Phys. Rev. B
83
, 235306
(2011
).16.
J.
Qi
, X.
Chen
, W.
Yu
, P.
Cadden-Zimansky
, D.
Smirnov
, N. H.
Tolk
, I.
Miotkowski
, H.
Cao
, Y. P.
Chen
, Y.
Wu
, S.
Qiao
, and Z.
Jiang
, Appl. Phys. Lett.
97
, 182102
(2010
).17.
H. J.
Chen
, K. H.
Wu
, C. W.
Luo
, T. M.
Uen
, J. Y.
Juang
, J. Y.
Lin
, T.
Kobayashi
, H. D.
Yang
, R.
Sankar
, F. C.
Chou
, H.
Berger
, and J. M.
Liu
, Appl. Phys. Lett.
101
, 121912
(2012
).18.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4879831 for details about parameters of laser pulses, specific heat measurement of BSTS, the two-temperature–model fitting of relaxation time, and the calculation of phonon spectrum.
19.
J. G.
Analytis
, J. H.
Chu
, Y. L.
Chen
, F.
Corredor
, R. D.
McDonald
, Z. X.
Shen
, and I. R.
Fisher
, Phys. Rev. B
81
, 205407
(2010
).20.
J. A.
Sobota
, S.
Yang
, J. G.
Analytis
, Y. L.
Chen
, I. R.
Fisher
, P. S.
Kirchmann
, and Z.-X.
Shen
, Phys. Rev. Lett.
108
, 117403
(2012
).21.
R. D.
Averitt
and A. J.
Taylor
, J. Phys.: Condens. Matter
14
, R1357
(2002
).22.
Y. H.
Wang
, D.
Hsieh
, E. J.
Sie
, H.
Steinberg
, D. R.
Gardner
, Y. S.
Lee
, P.
Jarillo-Herrero
, and N.
Gedik
, Phys. Rev. Lett.
109
, 127401
(2012
).23.
P. B.
Allen
, Phys. Rev. Lett.
59
, 1460
(1987
).24.
S. D.
Brorson
, A.
Kazeroonian
, J. S.
Moodera
, D. W.
Face
, T. K.
Cheng
, E. P.
Ippen
, M. S.
Dresselhaus
, and G.
Dresselhaus
, Phys. Rev. Lett.
64
, 2172
(1990
).25.
R. C.
Hatch
, M.
Bianchi
, D.
Guan
, S.
Bao
, J.
Mi
, B. B.
Iversen
, L.
Nilsson
, L.
Hornekær
, and P.
Hofmann
, Phys. Rev. B
83
, 241303
(2011
).26.
X.
Zhu
, L.
Santos
, C.
Howard
, R.
Sankar
, F. C.
Chou
, C.
Chamon
, and M.
El-Batanouny
, Phys. Rev. Lett.
108
, 185501
(2012
).27.
Z.-H.
Pan
, A. V.
Fedorov
, D.
Gardner
, Y. S.
Lee
, S.
Chu
, and T.
Valla
, Phys. Rev. Lett.
108
, 187001
(2012
).28.
C.
Bauer
, J.-P.
Abid
, and H. H.
Girault
, J. Phys. Chem.
110
, 4519
(2006
).29.
M.
Balkanski
, R. F.
Wallis
, and E.
Haro
, Phys. Rev. B
28
, 1928
(1983
).30.
N.
Kamaraju
, S.
Kumar
, and A. K.
Sood
, Europhys. Lett.
92
, 47007
(2010
).31.
C.
Thomsen
, H. T.
Grahn
, H. J.
Maris
, and J.
Tauc
, Phys. Rev. B
34
, 4129
(1986
).32.
J. W.
McIver
, D.
Hsieh
, S. G.
Drapcho
, D. H.
Torchinsky
, D. R.
Gardner
, Y. S.
Lee
, and N.
Gedik
, Phys. Rev. B
86
, 035327
(2012
).33.
Calculated from , where the elastic constant C11 = 6.85 × 1011 dyn/cm2 and density . Parameters from
J. O.
Jenkins
, J. A.
Rayne
, and R. W.
Ure
, Phys. Rev. B
5
, 3171
(1972
).© 2014 AIP Publishing LLC.
2014
AIP Publishing LLC
You do not currently have access to this content.
