Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Работа над проектом организована от роста совершенных кристаллов и тонких пленок, изучения физико-химических объёмных и поверхностных свойств до исследования электронной и спиновой структуры поверхностных состояний и спин-зависимых свойств изучаемых материалов. 1. Планировавшиеся исследования были направлены на оптимизацию условий выращивания изучаемых соединений для роста как можно более совершенных пленок и слоев с последующим изучением их электронной структуры методом фотоэмиссии с высоким разрешением по углу и спину с использованием синхротронного излучения. Проведен подбор и оптимизация технологических параметров роста методом молекулярно-лучевой эпитаксии тонких слоев Pb0.7Sn0.3Te толщиной от 5 до 30 нм, выращенных на поверхности Si(111). Выявлено, что оптимальной ростовой температурой является величина 350°С. Морфология поверхности данных пленок была изучена методом атомно-силовой микроскопии. Полученные результаты позволяют рассчитывать на получение сплошных гладких пленок при нанесении PbSnTe на поверхность Si(111) без промежуточного буферного слоя. Были отработаны технологические режимы нанесения буферного слоя CaF2 на Si, и уточнено, что подходящая гладкая и сплошная монокристаллическая пленка буферного слоя формируется при повышенных (в области 700°С) температурах. При нанесении PbSnTe на поверхность буферного слоя CaF2/Si(111) выявлен более мелкоостровковый характер роста PbSnTe, чем в случае отcутсnвия буферного слоя CaF2. 2-4. Разработаны режимы МЛЭ для создания гетероструктур на основе PbSnTe с необходимыми свойствами: получены экспериментальные двухслойные структуры общей толщиной 0.2 – 2 мкм как на подложках BaF2, так и Si, с изолирующим нижним слоем и верхним слоем PbSnTe:In нанометровой толщины, в том числе с составом в области инверсии зон. Данные по составу слоев определены с использованием метода РФЭС. Измерены спектры ARPES. - Исследовано влияние химической обработки поверхности эпитаксиальных плёнок (111) Pb1-xSnxTe методами РФЭС, ARPES, ДМЭ и ДБЭО, а также на транспортные свойства и фотопроводимость. В работе изучено влияние химической обработки поверхности (111) Pb1-xSnxTe<In> на электрофизические и оптические свойства. Показано, что обработка поверхности (111) Pb1-xSnxTe<In> в растворе HCl-iPA приводит к удалению собственных оксидов и обогащению поверхности элементным теллуром. Последующий прогрев в вакууме приводил к десорбции элементного теллура и появлению нереконструированной поверхности (1х1), на которой наблюдался линейный закон дисперсии, измеренный методом фотоэмиссии с угловым разрешением (ARPES). Обнаружено сильное влияние обработки и последующего хранения образцов на электрофизические и фоторелаксационные свойства образцов. Полученные результаты важны для понимания свойств кристаллического топологического изолятора и показывают перспективность материала СОТ. - Созданы гетероструктуры со слоями PbSnTe с составом в области инверсии зон. Изучен электронный спектр и спиновая поляризация поверхностных и интерфейсных состояний выращенных гетероструктур методом фотоэмиссии с разрешением по углу и спину. Установлен переход тривиальный полупроводник – топологический изолятор соединения Pb(1-х)Sn(х)Te в области х=0.35. - Методом лазерной фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES) было изучено влияние субмонослойных ферромагнитных покрытий Co на электронную структуру поверхности скола (0001) трехмерного топологического изолятора BiSbTeSe2. Было обнаружено, что осаждение свыше ~ 0.4 Å Co на поверхность BiSbTeSe2 при температуре 300-330 °С приводит к появлению в спектре топологических поверхностных состояний в точке Дирака запрещенной щели шириной 21±6 мэВ. 5-6. Исследованы МДП-структуры, в которых в качестве диэлектрика использовалась майларовая пленка толщиной 8 мкм. Исток и сток n+-типа проводимости были разделены «изолирующим» каналом шириной 50 мкм или менее. Монокристаллические пленки PbSnTe с подвижностью электронов в области температур Т 30–40 К свыше 3x10e4 см2·В-1·с-1 были получены методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Области истока и стока были сформированы вакуумным напылением индия толщиной около 150 нм с последующим диффузионным отжигом. Особенности характеристики согласуются с моделью, учитывающей наличие медленных поверхностных состояний и предполагающей наличие некоторого количества сегнетоэлектрических доменов в канале. - Для изучения спин-зависимого транспорта были изготовлены структуры с парой ферромагнитных контактов Co и Co40Fe40B20, осажденных через маски на поверхность пленок Pb1-xSnxTe на различном расстоянии друг от друга, что соответствует геометрии измерения локального спин-вентильного эффекта. Методом МОЭК было установлено, что легкая ось намагниченности контактов лежит в плоскости поверхности, магнитные свойства изотропны в ней, а коэрцитивные поля составляют 10 мТ и 5 мТ для контактов Co и CoFeB соответственно. В образцах Pb0,72Sn0,28Te отношение R/Rпар достигло 0,15 % при расстоянии между контактами 30 мкм и уменьшалось только в два раза при разнесении контактов на расстояние до 100 мкм, что указывает на наличие значительной длины спиновой релаксации, оценочно превышающей несколько десятков микрометров. Возможным объяснением столь значительной длины спиновой релаксации является наличие спин-поляризованных поверхностных состояний, обнаруженных нами с помощью метода фотоэмиссии с угловым и спиновым разрешением. 7. Выращены протяженные эпитаксиальные гетероструктуры топологического изоляторов Bi2Se3 на графене. Минимальная толщина сплошных пленок сантиметровых размеров составляла ~ 8 нм. Гетероструктуры с толщиной пленки Bi2Se3 > 10 нм имели удельное сопротивление в 200-500 Ом/кв и, что ниже в несколько раз сопротивления чистого графена. Также, стоит отметить высокую подвижность носителей в гетероструктурах при комнатной температуре ~ 1000-3400 см2/В*с в канале интерфейса Bi2Se3 / графен. Впервые получена подвижность в тонких пленках Bi2Se3 на графене выше, чем в объемных образцах, что открывает возможность создания быстродействующих транзисторных структур. Пленки Bi2Se3 были получены методом газофазного переноса. Для возможности изучения топологических свойств слоистого материала Bi2-хSbхTe3-уSeу была проведена серия экспериментов по росту пленок методом МЛЭ. Рост происходил на подложке Si(111). Источником служил четверной раствор Bi0.5Sb0.5TeSe2. На полученных пленках были измерены значения концентрации основных носителей и их подвижности при комнатной температуре (n300K и 300K) и 70 K. Пленка выращенная со скоростью 0.4 nm/мин продемонстрировала наивысшие значения подвижности 300K = 1100 см2/(В сек) и 70K = 8200 см2/(В сек). Значения концентраций носителей составили n300K = 4.3*1019 см-3 и n70K = 1.9*1019 см-3. 8. Методами традиционной и лазерной МЛЭ получены слои CoFeB на подложках топологических изоляторов Bi2Te3, Bi2Se3 и BiTeI, и изучены условия их роста. Таким образом, в настоящем проекте впервые продемонстрирована возможность выращивания структурно-упорядоченных монокристаллических эпитаксиальных слоёв ферромагнетика на поверхности топологического изолятора. Методами традиционной и лазерной МЛЭ были получены структурно-упорядоченные пленки CoFeB на подложки Pb0.71Sn0.29Te. Подобраны оптимальные технологические режимы нанесения материалов: температура и скорость роста, давление газа (в случае ЛМЛЭ). 9. Экспериментально и теоретически выполнена работа по изучению псевдобинарных соединений в системе Bi-GeTe-Sb2Te3 (Bi-GST) [ACS Nano]. Материалы с переменным фазовым состоянием на основе халькогенидов германия демонстрируют поразительно контрастирующие оптические и электрические свойства, что привело к их широкому применению в различных устройствах памяти. В данной работе методом фотоэмисси с разрешением по спину, времени и углу в сочетании с расчетом из первых принципов, мы сообщаем экспериментальные результаты, согласно которым кристаллическая фаза GeSb2Te4 является топологически нетривиальной в области полуметаллической фазы Дирака. Получающиеся в результате линейно-дисперсионные объемные дираковские зоны пересекают уровень Ферми и, таким образом, отвечают за проводимость в стабильной кристаллической фазе GeSb2Te4, что можно рассматривать как трехмерный аналог графена. Полученные результаты демонстрируют возможность реализовать безынерционные токи Дирака в материалах с фазовыми переходами. ACS Nano 14, 7, 9059, 2020 Ферромагнитные материалы широко используются в качестве источников спин-поляризованных электронов в устройствах спинтроники, которые управляются внешними магнитными полями или с помощью эффектов передачи спинового крутящего момента. Однако с ростом спроса на меньшие и более быстрые компоненты спинтроники использование спин-орбитальных явлений представляет собой перспективный альтернативный подход. Необходим поиск новых материалов с уникальными спиновыми текстурами, которые позволят электрическое управление спиновой поляризацией, а также произвольной ориентацией поляризации без использования магнитного поля. Для достижения этой цели, в данной работе мы использовали новый спин-орбитальный кристалл BiTeBr. В этом кристалле из-за гигантского спинового расщепления Рашбы объемная спиновая поляризация создается электрическим током при комнатной температуре. Интегрируя кристалл BiTeBr в устройство спинового клапана на основе графена, мы впервые продемонстрировали работу BiTeBr в качестве спинового инжектора, управляемого током, что открывает новые возможности для реализации новых принципов спинтроники в интегральных схемах. Детальное измерение спинового сигнала при различных направлениях тока смещения и напряжениях затвора доказывает устойчивость спиновой поляризации, которая согласуется с индуцированной током спиновой поляризацией из объемных спин-расщепленных состояний Рашбы в кристалле BiTeBr. Эти результаты доказывают, что спин-орбитальные кристаллы Рашбы являются новым перспективным строительным блоком для различных приложений спинтроники, поскольку они могут быть полностью электрически управляемым источником спиновой поляризации. (Nano Letters 20 (7), 4782, 2020)

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Работа над проектом была организована от роста совершенных кристаллов и тонких пленок, изучения физико-химических объёмных и поверхностных свойств до исследования электронной и спиновой структуры поверхностных состояний и спин-зависимых свойств изучаемых материалов. В рамках проекта проведено комплексное экспериментальное и теоретическое исследование особенности электронной энергетической и спиновой структуры Дираковского конуса электронных состояний для топологических изоляторов различного типа, состава и стехиометрии и графен-подобных и Рашба систем с высоким спин-орбитальным взаимодействием, а также модификации спиновой структуры при взаимодействии с металлами различной природы (магнитные и немагнитные металлы, металлы с высоким атомным номером). Исследованы особенности спиновой структуры топологических состояний вблизи точки Дирака. Основные результаты состоят в следующем. 1. Проведены эксперименты на структурах с различными параметрами верхнего слоя (PbSnTe+SnTe)/PbSnTe:In, полученными за счет разных режимов роста МЛЭ. Исследования были направлены на оптимизацию условий выращивания изучаемых соединений для роста как можно более совершенных пленок и слоев. Проведен подбор и оптимизация технологических параметров роста методом молекулярно-лучевой эпитаксии тонких слоев Pb1-хSnхTe (x>0.35) толщиной от 5 до 30 нм, выращенных на поверхности диэлектрического буферного слоя PbSnTe:In (x<0.35) на подложке BaF2/CaF2/Si(111). Морфология поверхности данных пленок была изучена методом атомно-силовой микроскопии. Полученные результаты позволяют рассчитывать на получение сплошных гладких пленок в топологической фазе. Была продолжена отработка технологических режимов нанесения буферного слоя CaF2 на Si. Изучены электрофизические свойства созданных гетероструктур в температурном интервале (4- 300 К) (проводимость, эффект Холла, магнетосопротивление), а также состав, атомная и электронная структура, выращенных пленок, методами РФЭС, ARPES и ДМЭ. Для изучения спин-зависимого транспорта были изготовлены структуры с немагнитными контактами и парой ферромагнитных контактов Co и Co40Fe40B20, осажденных через маски на поверхность пленок Pb1-xSnxTe на различном расстоянии друг от друга, что позволило провести измерения как в геометрии локального спин-вентильного эффекта (Optoelectron.Instrument.Proc. 56, 553–557 (2020).), так и не локального. Методом магнитооптического эффекта Керра МОЭК было установлено, что легкая ось намагниченности контактов лежит в плоскости поверхности, магнитные свойства изотропны в ней, а коэрцитивные поля составляют 10 мТ и 5 мТ для контактов Co и CoFeB соответственно. В образцах (PbSnTe+SnTe)/Pb0,72Sn0,28Te обнаружен нелокальный спин-вентильный эффект, превышающий локальный, при этом расстоянии между контактами составляло более 50 мкм, что указывает на наличие значительной длины спиновой релаксации, оценочно превышающей несколько десятков микрометров. Измерен также эффект Ханле. Возможным объяснением столь значительной длины спиновой релаксации является наличие спин-поляризованных поверхностных состояний, обнаруженных нами с помощью метода фотоэмиссии с угловым и спиновым разрешением. Проведены исследования по созданию и свойствам МДП-структур транзисторного типа (МДПТ) на основе пленок PbSnTe:In, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии, с Al2O3 тонкопленочным подзатворным диэлектриком. Исследованы исток-стоковые вольтамперные характеристики (ВАХ) и затворные характеристики МДПТ при Т = 4.2 К. Показано, что в МДПТ на основе пленок PbSnTe:In с концентрацией n ~ 1017 см-3 при Т = 4.2 К модуляция тока канала достигает 7–8 % в области затворных напряжений – 10 В < Ugate < + 10 В. Рассмотрены особенности ВАХ исток-сток и затворных характеристик при импульсном и пилообразном изменении Ugate. Изучены свойства МДПТ, изготовленных на основе пленки PbSnTe:In n-типа проводимости толщиной d = 1.3 мкм c составом x = 0.163 при концентрации In ~ 0.63 ат. %. Концентрация электронов слабо менялась в интервале T = (4.2–100) К. При T = 4.2 К n0 = 1.7х1017 см–3, подвижность um = 3.8x104 см2В–1с–1. Области истока и стока (ОИС) n+ – PbSnTe:In созданы диффузионным отжигом слоя индия толщиной ~ 0.15 мкм. Слой Al2O3 толщиной 72 нм формировался методом атомно-слоевого осаждения на всей поверхности структуры. С использованием «взрывной» фотолитографии над областью канала формировался затвор из титана толщиной ~ 50 нм. Тестирование при комнатной температуре показало, что цепь затвора не имела разрывов ни на одной из 6-ти проверенных МДП-структур. При этом ток утечки через подзатворный Al2O3 у всех 6-ти структур не превышал 10-11 А (нижний предел измерений использованного для тестирования амперметра) при затворном напряжении до ± 10 В. Токи утечки через затворный диэлектрик при T = 4.2 K были меньше точности измерений, которая была лучше, чем 10-12 А. При измерениях образцы размещались непосредственно в жидком гелии в металлической камере, экранирующей образцы от фонового излучения. В результате проведенных исследований впервые в мире разработаны и изготовлены экспериментальные образцы МДП-транзистора с тонкопленочным подзатворным диэлектриком Al2O3 толщиной 72 нм на основе пленок PbSnTe:In. При Т = 4.2 К исследованы ВАХ исток-сток и модуляция тока в канале МДПТ на основе пленки PbSnTe:In с концентрацией электронов ~ 1017 см–3, которая при изменении затворного напряжения в пределах до Ugate = ±10 В достигала 7 – 8 %. Совместный анализ ВАХ и затворных характеристик показал, что полученные результаты могут быть объяснены отличием параметров приповерхностного слоя пленки PbSnTe:In от «объема» с повышенной подвижностью электронов и, возможно, с пониженной статической диэлектрической проницаемостью. Таким образом продемонстрирована возможность управления положением уровня Ферми на поверхности структуры металл - диэлектрик - топологический изолятор. Изготовлен макет спин-вентильной МДП структуры с инжекционным и детектируемым контактами из кобальта. 2. Выполнен ряд экспериментов по изучению электронной структуры и спиновой структуры поверхностных и объемных состояний топологических изоляторов методом фотоэмиссии с угловым и спиновым разрешением (PRB 103, L161107), материалов с гигантским рашбовским расщеплением (PRB 103, 085406), а также оптические свойства (Nature 593 https://doi.org/10.1038/s41586-021-03466-7). Продемонстрирована генерация гармоник (ГГ) высокого порядка в топологическом изоляторе Bi2Te3. При частоте возбуждения выше объемной Eg/h наблюдается преобладание объемной ГГ нечетного порядка. Если THz частота ниже Eg/h, межзонное возбуждение через объемную запрещенную зону сильно подавляется, и в спектрах ГГ преобладает вклад от состояний металлической поверхности, что приводит к гармоникам четного и нечетного порядка. Поверхностное излучение возникает из-за баллистического движения квазирелятивистских фермионов через точку Дирака. Наблюдаемые гармоники могут быть непрерывно сдвинуты к произвольным нецелым кратным - в соответствии с квантовой теорией. Баллистический контроль в сильном электрическом поле волны топологически защищенных поверхностных состояний открывает уникальную возможность для проверки фундаментальных предсказаний релятивистской квантовой физики. 3. Выполнены эксперименты по росту и изучению эпитаксиальных гетероструктур топологического изоляторов Bi2-хSbхTe3-уSeу и Bi2Se3 на графене. Пленки ТИ были получены методом газофазного переноса и методом МЛЭ. Изучена температурная зависимость проводимости пленок от стехиометрии Bi2-хSbхTe3-уSeу. Минимальная толщина сплошных пленок сантиметровых размеров составляла ~ 4 нм. Гетероструктуры продемонстрировали высокую подвижность носителей при комнатной температуре ~ 2000 см2/В*с в канале интерфейса Bi2-хSbхTe3-уSeу / графен. 4. Изготовлены образцы на основе полученных изолирующих структур PbSnTe, на которых измерены угловые зависимости тока при Т = 4.2 К при различных взаимных ориентациях и напряженностях электрического и магнитного полей, а также нормали к плоскости подложки. При температуре T = 4,2 К экспериментально исследована зависимость проводимости пленок PbSnTe:In/BaF2 в режиме инжекции из контактов и тока, ограниченного пространственным зарядом (ТОПЗ), от напряженности и ориентации магнитного поля. Показано, что в режиме ТОПЗ проводимость чувствительна к свойствам свободной поверхности и границы раздела с подложкой. Предложена качественная модель наблюдаемых особенностей проводимости пленок. экспериментальные зависимости объясняются комбинацией «холловского» поперечного электрического поля и электрического поля, связанного с нарушением электронейтральности образца в режиме ТОПЗ, неоднородным распределением ловушек различного типа по толщине и, как следствие, их различным заполнением при различных комбинациях тянущего напряжения U, величины и направления B относительно Е и n, а также зависимостью магнетоемкости структуры от величины и направления B, выявление природы которой требует дальнейших исследований. 5. Изучено влияние субмонослойных ферромагнитных покрытий Co на электронную структуру поверхности скола (0001) трехмерного топологического изолятора BiSbTeSe2. Было обнаружено, что осаждение кобальта в диапазоне 0.4-1.5 Å на поверхность BiSbTeSe2 при температуре 300-330 °С приводит к появлению в спектре топологических поверхностных состояний в точке Дирака запрещенной щели шириной 21±6 мэВ (Phys.Rev.Mat. 2022, accepted).