Синтез и исследование электронных свойств монокристаллических топологических изоляторов.

Известно, что прогресс в области развития квантовых вычислительных устройств связан с поиском устойчивых к неконтролируемым электромагнитным возмущениям систем. В связи с этим в последнее время активно изучаются наноразмерные структуры, собранные из кристаллов топологических изоляторов (ТИ) и сверхпроводников (СП). Интерес к ним связан с предсказанной неабилевой природой топологически защищенных поверхностных квазичастичных состояний в ТИ, участвующих в переносе электронного транспорта. Предполагается, что такие устройства могут увеличить стабильность работы квантовых вычислителей. Технологически успех вряд ли возможен без поиска материалов с оптимальными электронными свойствами. Основное влияние на электронные свойства оказывает положение уровня ферми в материале. Для управления его положением существует два основных приема: это допированные сторонними атомами, котоые могут как поднять его так и опустить, либо с использованием внешнего затвора (гейта). Таким образом, проект посвящен решению задачи контролируемого синтеза монокристаллов, удобных для реализации СП-ТИ-СП устройств, с преобладающим поверхностным электронным транспортом. Ключевым моментом при создании гибридных устройств с использованием монокристаллов ТИ является технология получения правильно ориентированных монокристаллов заданной толщины и субмикронных латеральных размеров на подложке кремния. В ходе выполнения проекта будут переосаждены монокристаллы ТИ различных составов (например Bi2Te3 допированных Pb) с последующим структурным и качественным анализом. Для синтеза будет использован ранее реализованный в Лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ метод физического осаждения из газовой фазы в потоке аргона (PVD – physical vapor deposition), который имеет ряд преимуществ по сравнению с MBE (molecular beam epitaxy) и эксфолиацией. В отличие от метода эксфолиации PVD позволяет более точно контролировать толщину и латеральные размеры монокристаллов, а также не требует сложного высоковакуумного оборудования, необходимого для MBE. Изменение параметров роста позволит получить отдельные монокристаллы правильной кристаллографической формы, а также контролировать положение уровня Ферми в них, в первую очередь, за счет допирования и внесения различных примесей. Точный контроль атомного соотношения элементов полученных соединений позволит напрямую влиять на количество электронов в зоне проводимости и на объемное сопротивление. Для этого будет исследована морфология, атомная структура и состав полученных монокристаллов различными методами: SEM (Scanning Electron Microscopy), AFM (Atomic force microscopy), EDX (Energydispersive X-ray spectroscopy), XPS (X-ray photoelectron spectroscopy), EBSD (Electron backscatter diffraction), XRD (X-ray Powder Diffraction), TEM (Transmission electron microscopy). После получения оптимальных для реализации СП-ТИ-СП гибридных устройств, при помощи электронной литографии и магнетронного напыления будут изготовлены экспериментальные образцы для изучения их электронно-транспортных свойств. Измерения будут производиться при сверхнизких температурах вплоть до 11 мК и магнитных полях до 9 Т с использованием криогенного механизма вращения образца в поле на 360 градусов. Будут изучены вольтамперные характеристики, как функция магнитного поля и температуры. Будет исследован вклад в проводимость поверхностных и объемных носителей в зависимости от положения уровня Ферми. Контролирование уровня Ферми будет осуществляться с помощью верхних, нижних и боковых затворов (гейтов).