Michał Hermanowicz

„Wpływ defektów strukturalnych na własności elektronowe
powierzchni izolatorów topologicznych”
Michał Hermanowicz
Stypendysta projektu pt. „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych za
strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu
Operacyjnego Kapitał Ludzki
W ciągu ostatnich kilkunastu lat jeden z kierunków rozwoju nanonauki i
nanotechnologii koncentrował się na wytwarzaniu i charakteryzacji nowych materiałów
funkcjonalnych dla przyszłej elektroniki i nanoelektroniki. Postępująca miniaturyzacja
urządzeń elektronicznych napędzana przez coraz większe wymagania dotyczące szybkości,
zużycia energii i precyzji konstruowanych układów, pociągnęła za sobą konieczność
poszukiwania nowych rozwiązań materiałowych, które pozwoliłyby na spełnienie oczekiwań
rynku nowych, przyszłych technologii elektronowych. Po przyznaniu nagrody Nobla w
dziedzinie fizyki w 2010 roku dla Novoselova i Geima za prace nad grafenem wydawało się,
że ten dwuwymiarowy materiał zdominuje badania dotyczące nowych materiałów dla
przyszłej elektroniki. Grafen jednak, będąc układem o zredukowanej wymiarowości, okazał
się bardzo czuły na wpływ otoczenia – np. stosowanie go wymaga użycia odpowiednich
podłoży i kontaktów tak dobranych, by nie modyfikowały niezwykłych właściwości grafenu
(istoty jego funkcjonalności w urządzeniach elektronicznych). W roku 2007 odkryto jednak
inny,
zupełnie nowy materiał, który wykazując podobieństwo swoich
właściwości
elektronowych do grafenu, pozbawiony jest kilku istotnych jego wad – jest to układ
trójwymiarowy, stabilny, łatwiejszy do wytworzenia i badania, a więc także tańszy w
ewentualnych zastosowaniach. Materiał ten to izolator topologiczny będący przedmiotem
badań mojej rozprawy doktorskiej.
Najbardziej obiecującymi są tzw. silne izolatory topologiczne, których przykładem są
układy oparte na bizmucie, takie jak tellurek bizmutu (Bi2Te3) oraz selenek bizmutu (Bi2Se3).
Z fizycznego punktu widzenia są to półprzewodniki o wąskiej przerwie energetycznej, a więc
w normalnych warunkach nie przewodzą prądu elektrycznego. Okazuje się jednak, że
właściwości elektryczne tych materiałów są inne w objętości układu niż na jego powierzchni.
Mianowicie gdy objętość pozostaje izolatorem, po powierzchni może płynąć prąd elektryczny,
a więc taki układ jest także dwuwymiarowym metalem. Ponadto ów prąd powierzchniowy
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
charakteryzuje się bardzo szczególnymi właściwościami – pozostaje nieczuły na defekty
strukturalne powierzchni oraz zanieczyszczenia materiałowe, związane np. z adsorpcją
domieszek.
W
mojej
pracy
doktorskiej
wykorzystuję
najnowocześniejsze
metody
modelowania komputerowego z pierwszych zasad (ab initio) w oparciu o teorię funkcjonału
gęstości (DFT). W dotychczasowej pracy udało mi się wymodelować objętość oraz
powierzchnię tellurku bizmutu i selenku bizmutu uzyskując informacje pozwalające na
weryfikację eksperymentu przeprowadzonego przez grupę z Instytutu Fizyki Politechniki
Poznańskiej i dzięki temu uzyskać istotny wgląd w naturę elektronową powierzchni silnego
izolatora
topologicznego.
Nowoczesne
metody
modelowania
komputerowego,
wykorzystywane przy współpracy z Poznańskim Centrum Superkomputerowo-Sieciowym
(PCSS, projekt PL-Grid), a także z ośrodkami zagranicznymi (centrum obliczeniowe CINECA
we Włoszech oraz Narodowe Centrum Komputerowe w Australii), pozwoliły na otrzymanie
fizycznych modeli struktury elektronowej badanych materiałów i ich analizę w kontekście
powierzchniowych stanów elektronowych. Wykonane obliczenia pokazały zależność energii
metalicznych stanów powierzchniowych tellurku bizmutu od stopnia pokrycia powierzchni
adsorbatem (tytan, Ti). Uzyskane do tej pory wyniki są istotne z punktu widzenia
funkcjonalizacji
powierzchni
izolatora
topologicznego
(podłoża)
z
wykorzystaniem
nanostruktur, takich jak pojedyncze atomy i cząsteczki, a także cienkich warstw i kontaktów.
Obliczenia numeryczne, będące podstawą mojej pracy doktorskiej, wykazują nie tylko
dobrą korelację z niezależnym eksperymentem fizycznym, ale także wytyczają nowe ścieżki
rozwoju i pomagają w planowaniu kolejnych eksperymentów. Obecnie badania są
kontynuowane w kierunku określenia wpływu strukturalnych defektów powierzchni na stany
powierzchniowe izolatora topologicznego oraz uogólnienia tej wiedzy na cały szereg układów
wykazujących podobne właściwości.
Wyszczególniając korzyści dla Wielkopolski płynące z opisanych badań, należy
wymienić przede wszystkim wkład tego projektu w konsolidację poznańskiego środowiska
naukowego (PP, WCZT, PCSS) w pracy nad układami oferującymi niezwykle obiecujące
możliwości dla współczesnej elektroniki i nanoelektroniki. Wielkopolskie konsorcja, takie jak
WCZT, a także środowisko naukowe Politechniki Poznańskiej i PCSS (wspierając
merytorycznie projekt) powodują też, że regionalny rynek innowacji i technologii może zyskać
nie tylko wiedzę, ale wymierne korzyści związane z możliwym wdrożeniem prototypowych,
nanoelektronicznych urządzeń wyprodukowanych w ramach jednego z działających w
regionie inkubatorów przedsiębiorczości. Efektem pozanaukowym niniejszego projektu jest
zatem stymulowanie i stwarzanie standardów tak pojętej regionalnej współpracy naukowej i
ogólnego rozwoju.
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego