Температурно-временные режимы Ван-дер-Ваальс эпитаксии тонких пленок Bi2Se3 на слюде / Кох К.А., Небогатикова Н.А., Кустов Д.А., Антонова И.В., Кузнецов А.Б., Голяшов В.А., Степина Н.П., Терещенко О.Е.
Year: 2019
Type: article
Abstract: Практическое применение электронных свойств топологических изоляторов ограничено объемной проводимостью кристаллов. Получение тонких пленок (толщиной менее 100 нм) позволяет значительно уменьшить объемную проводимость и сформировать поверхностные состояния со спин поляризованной проводимостью. Существующие подходы к получению тонких пленок халькогенидов висмута методами механического, жидкофазного, или электрохимического расслоения, как правило, позволяют получать образцы размером порядка нескольких десятков микрон. В то время как для создания гетероструктур на основе топологических изоляторов требуются образцы ~100 мкм. В данной работе проведен эпитаксиальный рост пленок Bi2Se3 из газовой фазы на слюде. В нагреваемом конце кварцевого реактора устанавливалась лодочка с источником в виде фрагмента кристалла Bi2Se3. Противоположный конец находился при комнатной температуре и был подсоединен к форвакуумному насосу. В центре реактора, в области градиента температур устанавливались подложки из технической слюды. По данным рентгенофазового анализа, на протяжении 3-6 см при 500°С реализуется Ван-дер-Ваальс эпитаксия с ориентированным нарастанием монокристаллического слоя Bi2Se3 плоскостью (0001) на слюде. В диапазоне времени напыления 4.5-26 часов получены пленки, по данным АСМ, толщиной 20 – 300 нм. При уменьшении температуры роста до 450о С, рост значительно замедляется. Встречаются зерна размером 300 – 500 нм, и рельефом 1 нм (квинтет Se-Bi-Se-Bi-Se) Измерения проводимости при комнатной температуре показали, что пленки толщиной ~ 20 нм демонстрируют слоевое сопротивление 103 – 104 Ом/кв, а в более толстых пленках (~ 120-200 нм) слоевое сопротивление падает до 10 Ом/кв. Насыщение сопротивления на уровне 103 – 104 Ом/кв может свидетельствовать о преобладающем вкладе в проводимость поверхностных топологических состояний. Минимальное сопротивление получается в случае достаточно длительного роста (22 ч) при 500°С. Важно, что при уменьшении времени роста пленки сопротивления имеют примерно одинаковое значение 103 – 104 Ом/кв на протяжении всей пленки. Сходные уровни сопротивления достигнуты по литературным данным на тонких пленках BiSbTeSe2 при толщине менее 100 нм. Также мы исследовали пленки, полученные при отслоении от объемного кристалла Bi2Se3. Сопротивление таких пленок составляет 103 – 104 Ом/кв и не зависит от толщины при толщине менее 80 нм. Исследования морфологии поверхности с помощью СЭМ показали присутствие посторонней фазы с морфологией, отличающейся от треугольников Bi2Se3. Ее наличие, вероятно, дает вклад в дефектность пленки и падение проводимости в некоторых местах измерений. Мы предполагаем, что это соединение Bi2SeO2, что подтвердилось с помощью КР спектроскопии на пленках, полученных при 600 и 700о С. Вероятным источником кислорода является термическое разложение слюды. В холодной части подложек отмечено присутствие глобул элементарного селена. Их наличие мы объясняем низкой активностью кислорода в присутствии буфера Bi2Se3/Bi2SeO2, которой недостаточно для окисления селена.
Language: Russian
Subfield: Condensed Matter Physics
Field: Physics and Astronomy
Domain: Physical Sciences
Open Access status: bronze
OpenAlex ID: W4234554971