Raman measurements of a Fano-type surface phonon mode associated with Dirac surface states (SS) in Bi2Se3 topological insulator thin films allowed an unambiguous determination of the electron-phonon coupling strength in Dirac SS as a function of film thickness ranging from 2 to 40 nm. A non-monotonic enhancement of the electron-phonon coupling strength with maximum for the 8–10 nm thick films was observed. The non-monotonicity is suggested to originate from plasmon-phonon coupling which enhances electron-phonon coupling when free carrier density in Dirac SS increases with decreasing film thickness and becomes suppressed for thinnest films when anharmonic coupling between in-plane and out-of-plane phonon modes occurs. The observed about four-fold enhancement of electron-phonon coupling in Dirac SS of the 8–10 nm thick Bi2Se3 films with respect to the bulk samples may provide new insights into the origin of superconductivity in this-type materials and their applications.

1.
X.
Zhu
,
L.
Santos
,
C.
Howard
,
R.
Sankar
,
F. C.
Chou
,
C.
Chamon
, and
M.
El-Batanouny
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
185501
(
2012
).
2.
Z.-H.
Pan
,
A. V.
Fedorov
,
D.
Gardner
,
Y. S.
Lee
,
S.
Chu
, and
T.
Valla
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
187001
(
2012
).
3.
J. A.
Sobota
,
S.-L.
Yang
,
D.
Leuenberger
,
A. F.
Kemper
,
J. G.
Analytis
,
I. R.
Fisher
,
P. S.
Kirchmann
,
T. P.
Devereaux
, and
Z.-X.
Shen
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
157401
(
2014
).
5.
M. Z.
Hasan
and
C. L.
Kane
,
Rev. Mod. Phys.
82
,
3045
(
2010
).
6.
Y. D.
Glinka
,
S.
Babakiray
,
T. A.
Johnson
,
A. D.
Bristow
,
M. B.
Holcomb
, and
D.
Lederman
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
151903
(
2013
).
7.
Y. D.
Glinka
,
S.
Babakiray
,
T. A.
Johnson
,
M. B.
Holcomb
, and
D.
Lederman
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
171905
(
2014
).
8.
Y. D.
Glinka
,
S.
Babakiray
,
T. A.
Johnson
,
M. B.
Holcomb
, and
D.
Lederman
,
J. Appl. Phys.
117
,
165703
(
2015
).
9.
Y. D.
Glinka
,
S.
Babakiray
,
T. A.
Johnson
, and
D.
Lederman
,
J. Phys.: Condens. Matter
27
,
052203
(
2015
).
10.
P. M. R.
Brydon
,
S.
Das Sarma
,
H.-Y.
Hui
, and
J. D.
Sau
,
Phys. Rev. B
90
,
184512
(
2014
).
11.
X.
Wan
and
S. Y.
Savrasov
,
Nat. Commun.
5
,
4144
(
2014
).
12.
X.-L.
Zhang
and
W.-M.
Liu
,
Sci. Rep.
5
,
8964
(
2015
).
13.
I.
Loa
,
E. I.
Isaev
,
M. I.
McMahon
,
D. Y.
Kim
,
B.
Johansson
,
A.
Bosak
, and
M.
Krisch
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
045502
(
2012
).
14.
Z. P.
Yin
,
S. Y.
Savrasov
, and
W. E.
Pickett
,
Phys. Rev. B
74
,
094519
(
2006
).
15.
R. E.
Cohen
,
W. E.
Pickett
, and
H.
Krakauer
,
Phys. Rev. Lett.
64
,
2575
(
1990
).
16.
F.
Weber
,
S.
Rosenkranz
,
L.
Pintschovius
,
J.-P.
Castellan
,
R.
Osborn
,
W.
Reichardt
,
R.
Heid
,
K.-P.
Bohnen
,
E. A.
Goremychkin
,
A.
Kreyssig
,
K.
Hradil
, and
D. L.
Abernathy
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
057001
(
2012
).
17.
P.
Zhang
,
S. G.
Louie
, and
M. L.
Cohen
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
067005
(
2007
).
18.
K.
Kirshenbaum
,
P. S.
Syers
,
A. P.
Hope
,
N. P.
Butch
,
J. R.
Jeffries
,
S. T.
Weir
,
J. J.
Hamlin
,
M. B.
Maple
,
Y. K.
Vohra
, and
J.
Paglione
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
087001
(
2013
).
19.
S.
Mandal
,
R. E.
Cohen
, and
K.
Haule
,
Phys. Rev. B
89
,
220502
(
2014
).
20.
P.
Tabor
,
C.
Keenan
,
S.
Urazhdin
, and
D.
Lederman
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
013111
(
2011
).
21.
M.
Björck
and
G.
Andersson
,
J. Appl. Cryst.
40
,
1174
(
2007
).
22.
K.
Munbodh
,
F. A.
Perez
,
C.
Keenan
,
D.
Lederman
,
M.
Zhernenkov
, and
M. R.
Fitzsimmons
,
Phys. Rev. B
83
,
094432
(
2011
).
23.
P.
Lostak
,
C.
Drasar
,
H.
Sussmann
,
P.
Reinshaus
,
R.
Novotny
, and
L.
Benes
,
J. Cryst. Growth
179
,
144
(
1997
).
24.
B. E.
Warren
,
X-Ray Diffraction
(
Dover
,
New York
,
1990
).
25.
Y.
Zhang
,
K.
He
,
C.-Z.
Chang
,
C.-L.
Song
,
L.-L.
Wang
,
X.
Chen
,
J.-F.
Jia
,
Z.
Fang
,
X.
Dai
,
W.-Y.
Shan
,
S.-Q.
Shen
,
Q.
Niu
,
X.-L.
Qi
,
S.-C.
Zhang
,
X.-C.
Ma
, and
Q.-K.
Xue
,
Nat. Phys.
6
,
584
(
2010
).
26.
L.
He
,
F.
Xiu
,
X.
Yu
,
M.
Teague
,
W.
Jiang
,
Y.
Fan
,
X.
Kou
,
M.
Lang
,
Y.
Wang
,
G.
Huang
,
N.-C.
Yeh
, and
K. L.
Wang
,
Nano Lett.
12
,
1486
(
2012
).
27.
M.
Kableikova
,
J.
Breza
, and
M.
Vesely
,
Microelectron. J.
32
,
955
(
2001
).
28.
J.
Zhang
,
Z.
Peng
,
A.
Soni
,
Y.
Zhao
,
Y.
Xiong
,
B.
Peng
,
J.
Wang
,
M. S.
Dresselhaus
, and
Q.
Xiong
,
Nano Lett.
11
,
2407
(
2011
).
29.
V.
Gnezdilov
,
Yu. G.
Pashkevich
,
H.
Berger
,
E.
Pomjakushina
,
K.
Conder
, and
P.
Lemmens
,
Phys. Rev. B
84
,
195118
(
2011
).
30.
I. W.
Richter
,
H.
Kohler
, and
C. R.
Becke
,
Phys. Status Solidi
84
,
619
(
1977
).
31.
I.
Childres
,
J.
Tian
,
I.
Miotkowski
, and
Y.
Chen
,
Philos. Mag.
93
,
681
(
2012
).
32.
K. M. F.
Shahil
,
M. Z.
Hossain
,
V.
Goyal
, and
A. A.
Balandin
,
J. Appl. Phys.
111
,
054305
(
2012
).
33.
X. X.
Yang
,
Z. F.
Zhou
,
Y.
Wang
,
R.
Jiang
,
W. T.
Zheng
, and
C. Q.
Sun
,
J. Appl. Phys.
112
,
083508
(
2012
).
34.
P.
Klar
,
E.
Lidorikis
,
A.
Eckmann
,
I. A.
Verzhbitskiy
,
A. C.
Ferrari
, and
C.
Casiraghi
,
Phys. Rev. B
87
,
205435
(
2013
).
35.
M.
Eddrief
,
P.
Atkinson
,
V.
Etgens
, and
B.
Jusserand
,
Nanotechnology
25
,
245701
(
2014
).
36.
H.
Yan
,
D.
Song
,
K. F.
Mak
,
I.
Chatzakis
,
J.
Maultzsch
, and
T. F.
Heinz
,
Phys. Rev. B
80
,
121403
(
2009
).
37.
T.
Stauber
and
G.
Gomez-Santos
,
Phys. Rev. B
85
,
075410
(
2012
).
38.
T.
Stauber
,
J. Phys.: Condens. Matter
26
,
123201
(
2014
).
39.
E. H.
Hwang
and
S.
Das Sarma
,
Phys. Rev. B
75
,
205418
(
2007
).
40.
E. H.
Hwang
and
S.
Das Sarma
,
Phys. Rev. B
80
,
205405
(
2009
).
41.
M.
Jablan
,
H.
Buljan
, and
M.
Soljaci
,
Opt. Express
19
,
11236
(
2011
).
42.
S.
Das Sarma
and
E. H.
Hwang
,
Phys. Rev. Lett.
81
,
4216
(
1998
).
43.
Y. D.
Glinka
,
S.
Babakiray
,
T. A.
Johnson
,
M. B.
Holcomb
, and
D.
Lederman
,
Phys. Rev. B
91
,
195307
(
2015
).
44.
T. T.
Tang
,
Y.
Zhang
,
C.-H.
Park
,
B.
Geng
,
C.
Girit
,
Z.
Hao
,
M. C.
Martin
,
A.
Zettl
,
M. F.
Crommie
,
S. G.
Louie
,
Y. R.
Shen
, and
F.
Wang
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
32
(
2010
).
45.
E. H.
Hwang
,
R.
Sensarma
, and
S.
Das Sarma
,
Phys. Rev. B
82
,
195406
(
2010
).
46.
J.
Linder
,
T.
Yokoyama
, and
A.
Sudbø
,
Phys. Rev. B
80
,
205401
(
2009
).
47.
C. X.
Liu
,
H. J.
Zhang
,
B.
Yan
,
X. L.
Qi
,
T.
Frauenheim
,
X.
Dai
,
Z.
Fang
, and
S. C.
Zhang
,
Phys. Rev. B
81
,
041307(R)
(
2010
).
48.
S.
Giraud
,
A.
Kundu
, and
R.
Egger
,
Phys. Rev. B
85
,
035441
(
2012
).
49.
J. F.
Scott
,
T. C.
Damen
,
J.
Ruvalds
, and
A.
Zawadowskit
,
Phys. Rev. B
3
,
1295
(
1971
).
50.
R.
Kumar
and
A. K.
Shukla
,
Phys. Lett. A
373
,
2882
(
2009
).
51.
Y. S.
Hor
,
A. J.
Williams
,
J. G.
Checkelsky
,
P.
Roushan
,
J.
Seo
,
Q.
Xu
,
H. W.
Zandbergen
,
A.
Yazdani
,
N. P.
Ong
, and
R. J.
Cava
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
057001
(
2010
).
52.
M.
Kriener
,
K.
Segawa
,
Z.
Ren
,
S.
Sasaki
, and
Y.
Ando
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
127004
(
2011
).
53.
J. L.
Zhang
,
S. J.
Zhang
,
H. M.
Weng
,
W.
Zhang
,
L. X.
Yang
,
Q. Q.
Liu
,
S. M.
Feng
,
X. C.
Wang
,
R. C.
Yu
,
L. Z.
Cao
 et al.,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
108
,
24
(
2010
).
You do not currently have access to this content.