Топологический изолятор на основе монокристаллической нанопроволоки висмута.

Номер гранта:14-48-03664
Область научного знания:фундаментальные основы инженерных наук
Тип конкурса: (р_центр_а)(р_центр_а) региональный конкурс центр
Год выполнения:2014г.
Руководитель: Касумов Ю.А.
Статус заявки:поддержана

Аннотация к заявке:

Нанопроволоки висмута представляют значительный интерес, поскольку в них может быть реализовано электронное состояние «топологического изолятора» - материала, проводящего электрический ток только в тончайшем поверхностном слое. Эта проводимость является квантовым эффектом, обладающим разнообразными особенностями (например, невозможность обратного рассеяния электронов, зависимость направления движения электрона от его спина), которые можно применить для создания новых приборов наноэлектроники и спинтроники. В настоящее время состояние топологического изолятора изучается исключительно на соединениях висмута. Добавление различных элементов, таких как Sb, Se и Te вызвано необходимостью создания энергетической щели в полуметаллическом висмуте. Недостатки такого легирования - возникновение дефектов, ослабляющих эффекты, связанные с состоянием топологического изолятора. Фундаментальное отличие нашего проекта состоит в использовании элементарного Bi, а энергетическая щель будет открываться вследствие квантового размерного эффекта (т.е. малого диаметра нанопроволок). Основой предлагаемого проекта является недавно созданная авторами методика роста высокосовершенных, макроскопически ограненных монокристаллических нанопроволок висмута. В проекте будет разработана технология переноса таких нанопроволок на подложку и изготовления электрических контактов к ним. Будет выполнено измерение проводимости нанопроволок при сверхнизких температурах (до 20 мК) в магнитных полях до 12 Т с целью исследования состояния топологического изолятора в этих структурах.

Аннотация к отчету по результатам реализации проекта:

Выполнена оптимизация параметров роста нанопроволок Bi методом ВЧ-диодного распыления с целью увеличения количества нанопроволок диаметром менее 100 нм. Разработана методика переноса нанопроволок Bi на подложку и изготовления контактов к ним с помощью электронной литографии. Полученные с помощью данной методики образцы представляли собой нанопроволоки на подложке с 4 контактами из Pd. Удельное сопротивление нанопроволок на данных образцах при комнатной температуре (увеличенное вследствие размерного эффекта) составляло около 2*10-6 Ом*м, что близко по значению удельному сопротивлению массивного Bi. Это позволяет говорить о том, что выращенные проволоки обладают высокой степенью структурного совершенства. Выполнено исследование структуры выращенных нанопроволок в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) с атомарным разрешением. Исследование показало, что полученные нанопроволоки являются монокристаллами. Кроме того, было обнаружено, что нанопроволоки покрыты очень тонким слоем окисла (менее 1 нм). Значительно улучшено процентное соотношение висмутовых нанопроволок требуемой кристаллографической ориентации к общему количеству получаемых нанопроволок. Оно было увеличено с использованием островковой пленки V, предварительно нанесенной на подложку из кремния с ориентацией (111). На такой подложке 80% выращенных висмутовых нанопроволок были огранены плоскостями (111). Именно для такой ориентации висмута возможно наблюдение эффектов топологического изолятора. Разработана методика изготовления джозефсоновских переходов на основе Bi нанопроволоки с вольфрамовыми контактами, нанесенными с помощью сфокусированного ионного пучка. В таких переходах выполнены измерения критического тока в магнитном поле. Критический ток наблюдался в очень сильных магнитных полях до 7 Т. Изготовлены асимметричные сквиды - сверхпроводящие кольца из вольфрама с двумя слабыми связями (джозефсоновскими переходами), где одним переходом является сужение в сверхпроводящей W-проволоке, а другим – нанопроволока висмута. С помощью такого сквида выполнено измерение ток-фазового соотношения в монокристаллической нанопроволоке висмута микронной длины со сверхпроводящими контактами. Показано, что электронный транспорт имеет баллистический характер. Электрический ток протекает вдоль двух граней проволоки, что характерно для топологического изолятора. Кроме того показано, что при изменении магнитного поля сверхпроводящая разность фаз основного состояния сквида (когда отсутствует ток через переход) может как меняться скачком от 0 до пи, так и принимать произвольное значение из этого диапазона. Данные свойства дают возможность для применения таких сквидов в качестве двухуровневых электронных устройств, например, ячеек памяти или кубитов.
Аннотации к заявке и отчету приведены в авторской редакции. по состоянию на 28.03.2024.
Помог ли вам материал?
1    0