Создание и исследование электронных свойств границы раздела систем с ферромагнитным упорядочением на топологических изоляторах

Проведены работы, связанные с получением методами традиционной и лазерной молекулярно-лучевой эпитаксии тонких пленок ферромагнетиков (ФМ) на подложках топологических изоляторов (ТИ) и всесторонним изучением их кристаллической структуры, магнитных и электронных свойств. В качестве ТИ модифицированным методом Бриджмена получены кристаллы Bi₂Te₃, Bi₂Se3₃ из расплавов стехиометрического состава в системах Bi - Te и Bi - Se, а также с избытком одного из компонентов. Изучены электрофизические характеристики (проводимость, подвижность, концентрация носителей от температуры) соединений Bi₂Te₃, Bi₂Se3₃ и Bi₂(Se,Te)₃. Оптимизирована технология роста кристаллов Bi₂₋ₓSbₓTeₓSe₃₋ₓ топологических изоляторов. Выращен кристалл твердого раствора стехиометрии 1 : 1 : 1 : 2 BiSbTeSe₂ (BSTS₂) с уровнем Ферми в запрещенной зоне. Методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) получены толстые пленки Pb₀,₇₂Sn₀,₂₈Te (PbSnTe), также послужившие основой для нанесения ФМ. Получены структурно-упорядоченные монокристаллические пленки ФМ на ТИ для случаев роста Co₄₀Fe₄₀B₂₀, Co₅₅Fe₄₅ (CoFeB и CoFe) и Co на поверхности Bi₂Te₃ и PbSnTe, и определены эпитаксиальные соотношения. Структурно-упорядоченные пленки в отличие от аморфных и поликристаллических пленок более привлекательны в силу однодоменной структуры и более совершенной границы раздела, что должно приводить к меньшему рассеянию спин-поляризованных носителей заряда. Изучены статические магнитные свойства систем ФМ/ТИ на основе различных сочетаний CoFeB, CoFe, Co и Ni в качестве ФМ и Bi₂Te₃, Bi₂Se3₃, PbSnTe и BiTeI в качестве ТИ. Рассчитаны спиновый и орбитальный магнитные моменты Co и Fe. Созданы мультиконтактные наноструктуры на основе топологического изолятора и пары металлов с различными значениями коэрцитивных сил. Обнаружен гистерезисный характер поведения полевых зависимостей магнитосопротивления в системах Co - PbSnTe - CoFe и Ni - PbSnTe - CoFeB, а в системе Co - PbSnTe - CoFeB - наиболее сильный спин-вентильный эффект как в локальной, так и нелокальной геометрии, и измерен эффект Ханле. Величина эффекта в локальной геометрии уменьшалась только в два раза при разнесении контактов на троекратно большее расстояние, что указывает на наличие значительной длины спиновой релаксации, оценочно превышающей несколько десятков микрон. Возможным объяснением столь значительной длины спиновой релаксации является наличие спин-поляризованных поверхностных состояний, обнаруженных с помощью метода фотоэмиссии с угловым и спиновым разрешением. Выявлено, что при определенных условиях возможно добиться смещения точки Дирака BiSbTeSe₂ в запрещенную зону в системе Co/BiSbTeSe₂, а также добиться появления энергетической щели в спектре дираковских поверхностных состояний при нанесении определенного количества Со. Температурные измерения ширины щели позволяют говорить о ее немагнитной природе в целом. Существование немагнитной щели может быть связано с химической гибридизацией поверхностных состояний при внедрении примесных атомов в верхний слой ТИ. Гибридизация снимает топологическую защищенность состояний за счет понижения кристаллической симметрии поверхностного слоя. Это предположение подтверждается исследованием кристаллической структуры данной системы при больших покрытиях кобальтом, где выявлены химическая и структурная трансформации верхнего слоя подложки, имеющей гексагональную кристаллическую решетку, с образованием многодоменной упорядоченной орторомбической структуры. Определены эпитаксиальные соотношения основных кристаллографических осей подложки и ее модифицированного верхнего слоя. Проявление особенностей спектров рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии для каждого элемента подложки при нанесении Со указывает на изменение химического состояния и характера атомного окружения. Это наблюдение может быть свидетельством образования соединения CoTeₓSe₂₋ₓ пониженной кристаллической симметрии и наличия химической реакции, приводящей к открытию энергетической щели при субангстремных количествах кобальта за счет понижения симметрии системы. Помимо приложения магнитного поля, понижение кристаллической симметрии или искажение кристаллической решетки ТИ представляет собой еще один способ управления поверхностной запрещенной зоной ТИ, который также полезен с точки зрения приложений в приборной спинтронике. Систематически изучены свойства гибридных систем ФМ/ТИ для широкого круга веществ, и выявлены их оптимальные сочетания, при которых в системе наблюдаются спин-вентильный эффект и появление энергетической щели в спектре дираковских поверхностных состояний ТИ, что приближает возможность практической реализации систем ФМ/ТИ как функциональных материалов спинтроники.