Сибирские ученые разработали новые способы получения двумерного топологического изолятора

Тонкие пленки селенида висмута получили двумя методами: вырастив их на подложках из слюды и электрохимически расщепив объемные кристаллы Bi2Se3, причем ученые добились формирования рекордно больших площадей образцов тонких пленок, сообщили в пресс-службе ИФП СО РАН. Отмечается, что селенид висмута относится к классу топологических изоляторов ― соединений, которые из-за особенностей своих свойств проводят спин-поляризованный электрический ток только по поверхности. При совмещении графена и электрохимически отслоенного селенида висмута удалось увеличить подвижность носителей заряда в пленках, что имеет большое значение для создания быстродействующих электронных устройств, работающих с минимальными тепловыми потерями. Результаты совместных работ специалистов Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН), Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН (ИГМ СО РАН), Новосибирского государственного университета, Новосибирского государственного технического университета опубликованы в журналах Materials Research Bulletin и Nanotechnology.

На поверхности тополологических изоляторов можно управлять током электронов, имеющих одинаково направленные спины (спин-поляризованных). Практическое применение этого свойства позволит значительно уменьшить тепловыделение, которое существует в привычных электронных приборах, а значит увеличить быстродействие и скорость передачи информации. Спин ― квантовая характеристика электрона (собственный момент импульса), не зависящая от внешних перемещений частицы.

Однако идеальные, предсказанные теоретически, свойства топологических изоляторов отличаются от тех, что наблюдаются в реальности: кристалл в объеме всё же проводит ток из-за структурных несовершенств. Чтобы воспользоваться технологически привлекательными характеристиками соединений, нужно создать им специальные условия. Решить эту задачу можно, получив идеальный бездефектный кристалл (что пока недостижимо), или тонкую пленку селенида висмута ―  по сути, поверхность в чистом виде: ее влияние становится заметным при толщинах пленки менее 100 нанометров.

― Мы давно сотрудничаем со старшим научным сотрудником ИГМ СО РАН кандидатом геолого-минералогических наук Константином Александровичем Кохом, у нас опубликовано около 60-ти совместных работ, касающихся характеристик объемных топологических изоляторов. Константин умеет выращивать высококачественные, практически бездефектные кристаллы, в том числе и селенида висмута. Их можно раскалывать по определенной плоскости и, соответственно, получать гладкую поверхность, которая проявляет нужные свойства, но все еще далекие от идеальных. Поэтому следующий этап развития исследований, к которому мы приступили ― синтез тонких монокристаллических пленок селенида висмута и исследование их электронных свойств, ― говорит заведующий лабораторией физики и технологии гетероструктур ИФП СО РАН, профессор Новосибирского государственного университета доктор физико-математических наук Олег Терещенко.

Обычно тонкие полупроводниковые соединения выращивают дорогостоящим и сложным методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Константину Коху удалось создать сравнительно простую по конструкции установку, в которой используется газотранспортный метод роста. Он является существенно более дешевым и в эксплуатации и в разработке.

У синтезированных кристаллических пленок, ученые ИФП СО РАН обнаружили несколько интересных для практического применения свойств. Во-первых, большие по площади размеры объектов ― около сантиметра в поперечнике,  во-вторых, высокая подвижность носителей заряда: именно от этой характеристики зависит быстродействие электроники. И, в-третьих, новые структуры могут использоваться, как электроды, прозрачные для инфракрасного излучения.

Подбор оптимальных ростовых условий занял около полугода: специалисты ИГМ СО РАН варьировали температуры, продолжительность роста, руководствуясь сведениями об электрофизических  характеристиках пленок, которые предоставляли ученые ИФП СО РАН. Выяснилось, что лучшие по электрофизическим параметрам образцы формируются при температуре около 500 градусов Цельсия и на расстоянии 4-6 сантиметров от нагревательного элемента. Для диагностики структурного совершенства пленок, толщины, поэлементного состава использовались дифракционные методы, Рамановская спектроскопия, сканирующая электронная микроскопия.

Другой способ получения тонких пленок селенида висмута, модифицированный той же исследовательской группой ―  электрохимическое отщепление от объемного кристалла Bi2Se3. Объемные кристаллы для эксперимента выращивались методом  Бриджмена-Стокбаргера, их также предоставил Константин Кох. Кристалл выступал в качестве одного из электродов и погружался в электролит  ―  проводящую жидкость определенного состава. В результате подачи напряжения в цепь, выделялись пузырьки газов, в частности водорода, которые и отслаивали  пленки. Меняя электрическое напряжение и состав электролита, ученые ИФП СО РАН подобрали оптимальные условия отщепления: ведь если пузырьков мало, то процесс идет долго. Если же слишком много ― пузырьки могут разрывать отделяющиеся слои.

― На данный момент этот метод позволяет получать наиболее совершенную поверхность пленок ―  атомно-гладкую. Варьируя условия расщепления, мы можем получать пленки с различной толщиной или латеральными размерами, ―  говорит научный сотрудник ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Надежда Небогатикова.

Площади образцов тонких пленок селенида висмута, полученные новосибирскими учеными, как первым, так и вторым методом, составили от сотен микрон до квадратных сантиметров, что значительно больше, чем синтезировали ранее другие научные группы, в том числе за рубежом.

Фото предоставлено пресс-службой ИФП СО РАН, автор- Константин Кох