Hodowla i charakteryzacja cienkich warstw izolatorów

Hodowla i charakteryzacja cienkich warstw izolatorów

Hodowla i charakteryzacja
cienkich warstw
izolatorów topologicznych (IT)
Rafał Rapacz
Instytut Fizyki im. Augusta Chełkowskiego
Śląskie Międzyuczelniane Centrum Edukacji
i Badań Interdyscyplinarnych (SMCEBI)
Promotor: Prof. dr hab. Jacek Szade
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
Czym są Izolatory Topologiczne (IT)?
Conductance
channel with up-spin
charge carries[1]
E.T. [2]
Quantum well
Conductance
channel with downcharge carries
[1] Bjorn Carey, Stanford News Service, August 10, 2012
[2] http://www.infinitehollywood.com/e-t-galactic-friend-figure-review/
Rys historyczny - czyli kto to zrobił?
Laureaci nagrody
europejskiego Towarzystwa
Fizycznego. Z dyplomami od
lewej stoją profesorowie:





Shoucheng Zhang
Laurens Molenkamp
Eugene Mele
Charles Kane
Hartmut Buhmann[1]
[1] Fot. Tomasz Pietrzak, zdjecie z archiwum Instytutu Problemów Jadrowych
Jak wyglądałby dzisiejszy świat bez elektroniki?
[1] Fot. Tomasz Pietrzak, zdjecie z archiwum Instytutu Problemów Jadrowych
Aspiryna dla Pana Gordon E. Moore?
IT
Gordon E. Moore[2]. Twórca
empirycznego prawa Moore’a
(1965r). Współzałożyciel
korporacji Intel.
Zmieniające się parametry
układów scalonych na
przestrzeni lat[1]
[1] The Free Lunch Is Over, Herb Sutter, http://www.gotw.ca/publications/concurrency-ddj.htm
[2] Transistor made using single atom may help beat Moore’s Law, http://www.livemint.com/Industry
Dlaczego Izolatory Topologiczne?
Układy scalone
produkowane w obecnej
technologii[1]
Tak mogą wyglądać układy
scalone produkowane w
przyszłości[1]
Ponadto IT mogą wprowadzić dodatkowy stopień swobody w
technologii przesyłania informacji, który będzie związany
już nie tylko z ładunkiem elektronu, ale także z jego spinem.
[1] S. Zhang, Topological insulators and their potential applications http://www.aip.org/industry/ipf/2011/
Potencjalne zastosowania
 Elektronika
 Elektroniczne manipulowanie w pamięciach
magnetycznych
 Spintronika
 Komputery kwantowe





Efekt termoelektryczny (niektóre materiały)
Przewodnictwo balistyczne
Spinowy efekt Halla
Nadprzewodnictwo
Fermiony Majorany
[1] L. Andrew Wray et al., Observation of topological order in a superconducting doped topological insulator. Nature Physics 6, 855–859 (2010)
Materiały wykazujące właściwości IT
Bi2Te3 – tellurek bizmutu[1]
Bi2Se3 – selenek bizmutu[2]
Sb2Te3 – tellurek antymonu[3]
i inne:
 Sb2Se3 – selenek
antymonu
ZnS/Bi2Se3
ZnSe/Bi2Se3
Bi2(Te,Se)2(Se,S) –
kawazulit[4]
Pb0.77Sn0.23Se[4]
[1] Yao-Yi Li, Intrinsic Topological Insulator Bi2Te3 Thin Films on Si , Adv. Mater. 2010, 22, 4002–4007
[2] X. F. Kou, Epitaxial growth of high mobility Bi2Se3 thin films on CdS Appl. Phys. Lett. 98, 242102 2011
[3] Guang Wang, Atomically Smooth Ultrathin Films of Topological Insulator Sb2Te3, Nano Res. 2010, 3(12): 874–880
[4] Nano Letters http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl304583m
[5] P. Dziawa, Topological crystalline insulator states in Pb1−xSnxSe, Nature Materials 11, 1023–1027 (2012)
Unit cell 3,04nm (c-axis)
Bi2Te3 - Jak to jest zbudowane?
QL
Te (1)
Bi
Te (2)
Bi
Te (1)
masa molowa: 800.761 g/mol
występowanie: grey powder
gęstość: 7.7 g/cm3
temp. topnienia: 585 C
wymiary komórki: a = 4.375, c = 30.39
układ krystalograficzny: trygonalny
(heksagonalny)
grupa przestrzenna: (R3m)
komórka oraz rzut w
kierunku (111)
pierwszej strefy
Brillouina[1]
[1] By Yao-Yi Li , Guang Wang, Intrinsic Topological Insulator Bi 2 Te 3 Thin
Films on Si and Their Thickness Limit, Adv. Mater. 2010, 22, 4002–4007
Pasmowa teoria przewodnictwa
Charles Kane, Joel Moore, Topological insulators, Physics World February 2011
Struktura elektronowa Bi2Te3
Pierwsza strefa Brillouina[1]
wewnętrzna struktura IT jest:
półprzewodnikiem
na powierzchni IT jest: metalem
Energy (Ry.)
obliczenia teoretyczne
Pasmowa struktura elektronowa Bi2Te3
obliczona metodą LMTO-LDA z
uwzględnieniem sprzężenia spin-orbita[1]
[1] S K Mishra, Electronic structure and thermoelectric properties of bismuth
telluride and bismuth selenide, 1997 J. Phys.: Condens. Matter 9 461
Struktura elektronowa Bi2Te3
dane doświadczalne (ARPES)
Dyspersja pasm energii w pobliżu
punktu Γ (BZ).
SS - surface states (czerwona)
VB - valence band (różowa)
CB - conduction band (zielona)
EF - Fermi level (niebieska)
Widmo ARPES (Angle
Resolved Photoemission
Spectroscopy) dla Bi2Se3.
Zmiany energii w
zależności od ilości QL[2]
[1] Yao-Yi Li, Intrinsic Topological Insulator Bi2Te3 Thin Films on Si , Adv. Mater. 2010, 22, 4002–4007
[2] Yi Zhang, Crossover of the three-dimensional topological insulator Bi2Se3 Nature Physics 6, 584–588 (2010)
Laboratorium Fizyki Powierzchni
Zespół badawczy:
 Prof. dr hab. Jacek Szade
 Dr Katarzyna Balin
 Mgr Anna Nowak
 Mgr Rafał Rapacz
 Mateusz Weis
Klaster badawczy (UHV):
 spektrometr fotoelektronów XPS + UPS,
 skaningowy spektrometr elektronów Auger
 mikroskop elektronowym SEM
 dyfraktometr elektronów RHEED
 dyfraktometr elektronów LEED
 mikroskop SPM (AFM/STM)
 napylarka (MBE)
 komory preparacyjne
ponadto:
 spektrometr masowy TOF-SIMS
kontrolery
spektrometr
Laboratorium
Fizyki Powierzchni
kwadrupolowy
AFM, STM,
LC-AFM, MFM
spektroskopia Auger’a
LL
RHEED
komora MBE
mikroskop
skaningowy
SPM
Laboratorium
Fizyki
Powierzchni
LEED
mikroskop
skaningowy
komora
preparacyjna
UPS
LL
komora XPS
SPM
Laboratorium Fizyki Powierzchni
XPS
ToF - SIMS
Produkcja rusza na całego - MBE
1) Przygotowanie podłoża :
 montaż na nośniku Si (100)
 paterowanie (jony Ar+),
 wygrzewanie (500oC)
2) Napylanie próbki:
 temp podkładu (Si) 130oC
 tryb kodepozycji
 temp. Te: 200oC - 230oC
 temp. Bi: 390°C - 450°C
Charakterystyka cienkich warstw Bi-Te
156,85 eV
162,15 eV
Te (1)
Si
Bi2Te3
Te (2)
Te(1)
Bi2Te3
Bi2Te3
Bi2Te3 tilted
Bi2Te3 tilted
Podsumowanie
1) Co zostało zrobione:
 uzyskanie ultra czystych polikrystalicznych warstw Bi2Te3 z wykorzystaniem techniki MBE na
podkładzie krzemowym
 uzyskanie monokrystalicznych warstw Bi2Te3 na mice
 określenie struktury krystalicznej z wykorzystaniem RHEED i XRD
(sieć: trygonalna, a= 4.44Å, c=30.47Å)
 określenie struktury elektronowej z wykorzystaniem XPS
 charakteryzacja powierzchni metodami SPM
2) Plany na przyszłość:
 domieszkowane warstw żelazem (Fe) i europem (Eu)
 badania pasma walencyjnego z wykorzystaniem UPS
 uzupełnienie badań o właściwości magnetyczne i transportowe z wykorzystaniem technik:
 SQUID
 FMR
 LCAFM
 4-kontaktowa metoda badań oporu
The End
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
C: 1s – 285 eV
O: 1s – 531 eV
Laboratorium Fizyki
Powierzchni