Подпись слабого

Nov 22, 2023

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 9770 (2022 г.) Цитировать эту статью

1624 Доступа

5 цитат

Подробности о метриках

Сообщается об исследовании низкотемпературного магнитотранспорта тонких пленок Bi2Se3 различной толщины (40, 80 и 160 нм), нанесенных на подложки сапфира (0001), с использованием метода радиочастотного магнетронного распыления. Рентгеновские дифракционные измерения высокого разрешения показали рост ромбоэдрических пленок Bi2Se3 с ориентацией оси c {0003n} на сапфире (0001). Методом рамановской спектроскопии получены колебательные моды тонких пленок Bi2Se3 в области низких волновых чисел. Шероховатость поверхности напыленных тонких пленок Bi2Se3 на сапфировых подложках (0001) составила ~ 2,26–6,45 нм. Химическое и электронное состояние нанесенного Bi2Se3 было подтверждено данными рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и показало образование соединения Bi2Se3. Измерения зависимости сопротивления от температуры показывают металлическую природу пленок Bi2Se3 и небольшой переход удельного сопротивления вверх при более низких температурах < 25 К. Положительное значение магнитосопротивления пленок Bi2Se3, измеренное при низких температурах (2–100 К), подтвердило бесщелевую топологию. поверхностные состояния в тонких пленках Bi2Se3. Квантовая поправка к магнитопроводимости тонких пленок в слабом магнитном поле осуществляется с использованием теории Хиками – Ларкина – Нагаоки, и расчетное значение коэффициента «α» (определяющего количество каналов проводимости) оказалось равным 0,65, 0,83 и 1,56 для пленки. толщина 40, 80 и 160 нм соответственно. Эти наблюдения показывают, что верхнее и нижнее поверхностные состояния связаны с объемными состояниями, а механизм проводимости в тонких пленках Bi2Se3 меняется в зависимости от толщины пленки.

Топологические изоляторы (ТИ) уже более десяти лет являются предметом большого интереса из-за их уникальных свойств, обусловленных наличием симметрии обращения времени и сильной спин-орбитальной связи, которые обусловливают исключительные свойства, которые используются в различных приложениях и устройствах. такие как спинтроника, квантовые вычисления и квантовый аномальный эффект Холла1,2,3,4. Это класс квантовой материи, объем которой является изолирующим, а поверхность состоит из нечетного числа конусов Дирака. ТИ демонстрируют экзотические свойства, такие как защита от обратного рассеяния от немагнитных примесей, а также дефекты, которые не изменяют симметрию обращения времени (TRS) из-за присутствия Π-фазы Берри на поверхности Ферми4,5. Множество экспериментов по магнитотранспорту показали, что поверхностное состояние TI топологически защищено TRS, т.е. их нелегко возмутить немагнитными возмущениями или дефектами6,7,8,9,10. Однако TRS можно подавить в перпендикулярном магнитном поле, что приводит к положительному магнитосопротивлению (MR), которое представляет собой интерференционное явление, возникающее из-за двумерных (2D) механизмов квантовой интерференции в тонких пленках и наноустройствах, известных как слабое магнитосопротивление (MR). эффект антилокализации (WAL)11.

Среди топологических изоляторов Bi2Se3 имеет ширину запрещенной зоны ~ 0,3 эВ и простую электронную зонную структуру, которая состоит из одного поверхностного состояния конуса Дирака с нулевой или незначительной запрещенной зоной в объемной форме и, таким образом, является идеальным материалом для TIs12,13,14. Однако основная часть Bi2Se3 содержит вакансии селена, которые опускают уровень Ферми в объемную зону проводимости, придавая тонкую объемную проводимость15. Как правило, тонкие пленки обеспечивают больший контроль над вкладом объемных носителей в снижение объемной проводимости, и, следовательно, их изготовление представляет большой интерес для изучения фундаментальных исследований и практического применения. Было обнаружено, что пленки и наноленты Bi2Se3 демонстрируют ненасыщенное линейное магнитосопротивление (LMR) под воздействием сильного поля, которое возникает из-за линейной поверхностной дисперсии Дирака15. Ранее использовались различные методы, такие как термическое испарение, импульсное лазерное осаждение и молекулярно-лучевой эпитаксиальный рост (MBE), однако подбор толщины пленки был большой проблемой. С другой стороны, магнетронное распыление обеспечивает точный контроль толщины при равномерной и высокой скорости осаждения для получения тонких пленок большой площади. Согласно существующей литературе, доступны ограниченные сообщения о тонких пленках Bi2Se3, выращенных магнетронным распылением для изучения поведения WAL в напыленной пленке14,22,23. Вклад поверхностных состояний и объемных носителей в общий транспорт сильно зависит от толщины пленки16. Обычно объемные состояния Bi2Se3 оказываются проводящими из-за некоторых присущих им дефектов или естественного легирования, которое вызывает эффект связи между состояниями верхней и нижней поверхностей16. Обнаружено, что эффект WAL, наблюдаемый в слабых магнитных полях, подавляется в более толстых пленках, поскольку поверхностному эффекту препятствует основная объемная проводимость пленки из-за меньшего отношения поверхности к объему в толстых пленках. Данные о магнитопроводимости в виде каспа в более низких полях были сопоставлены с квантовой интерференционной моделью Хиками-Ларкина-Нагаока (HLN) для определения количества независимых каналов проводимости (α) в этих пленках15,16,17,18,19,20. В литературе указано, что значение α равно 0,5 для одного когерентного транспортного канала и 1 для двух когерентных транспортных каналов (верхнего и нижнего), полностью независимых друг от друга. Могут быть два проводящих поверхностных канала, которые частично связаны проводящим объемом, если значение α лежит между 0,5 и 1. И α больше 1 указывает на полное развязывание транспортного канала11,14,22. Помимо эффекта WAL, во многих системах TI также наблюдался линейный эффект MR, который также вносит вклад в общую проводимость системы и также может быть описан модифицированным уравнением HLN24.