W ramach projektu badawczego dotyczącego jednowymiarowych nanostruktur, zwanych nanodrutami, we współpracy z Laboratorium Epitaksji z Wiązek Molekularnych Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego wytworzyliśmy nanodruty z arsenku galu, pokryte powłokami z krystalicznego izolatora topologicznego – tellurku ołowiu z cyną. W artykule opublikowanym w Scientific Reports (2024) wykazaliśmy, że połączenie tych związków w strukturze nanodrutu pozwala rozwiązać istotny dla konstrukcji i zastosowań heterostruktur półprzewodnikowych problem niedopasowania sieci krystalicznych stosowanych materiałów.
Arsenek galu jest krystalicznym półprzewodnikiem, używanym m. innymi do wytwarzania tranzystorów do zastosowań w telekomunikacji i paneli fotowoltaicznych W wytworzonych przez nas nanodrutach przyjmuje heksagonalną strukturę charakterystyczną dla kryształów wurcytu, w odróżnieniu od regularnej struktury spotykanej w kryształach i warstwach epitaksjalnych. Izolatory topologiczne to szczególny rodzaj materiałów o unikalnych właściwościach fizycznych – są izolatorami w objętości ale na ich powierzchni powstają stany metaliczne, umożliwiające przewodzenie prądu.
Nanodruty są szczególną formą struktury kryształu, ze względu na relatywnie duży stosunek ich długości do średnicy. Ta cecha pozwala znacznie zmniejszyć naprężenia pomiędzy wytworzonymi z różnych materiałów rdzeniem i powłoką nanodrutu, ograniczając możliwość występowania defektów. Międzypowierzchnia, czyli styk obu materiałów wykazuje bardzo interesujące właściwości fizyczne. Szczególnie użyteczna jest możliwość modyfikowania własności fizycznych jednego materiału za pomocą drugiego, co pozwala na dobieranie parametrów nanodrutu do zastosowań w nowatorskich urządzeniach elektronicznych i optoelektronicznych, w detektorach, sensorach czy nawet – w kwantowych układach logicznych.
We współpracy z Laboratorium Epitaksji z Wiązek Molekularnych Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego wytworzyliśmy hybrydowe nanostruktury z topologicznym izolatorem krystalicznym – roztworem stałym (Pb,Sn)Te – osadzanym na bocznych ściankach nanodrutów „rdzeniowych” arsenku galu (GaAs) o heksagonalnej strukturze wurcytu (wz). W przypadku cienkich warstw, GaAs typowo krystalizuje w strukturze blendy cynkowej (zb). Tego typu nanodruty wzrastają w kierunku [0001] heksagonalnej sieci krystalicznej. Posiadają one sześć ścianek bocznych o orientacji {11-20} lub {1-100}, w zależności od warunków wzrostu.
W artykule opublikowanym w Scientific Reports 14, art. nr. 589 (2024) pokazaliśmy, że kombinacja (Pb,Sn)Te i wurcytowego arsenku galu w nanostrukturach rozwiązuje problem znacznego niedopasowania parametrów sieci krystalicznych obydwu materiałów. Zaprezentowany przez nas układ stanowi analog struktur (Pb,Sn)Te i zb-GaAs o geometrii planarnych warstw, dla których niedopasowanie w zakresie 10-12% (w zależności od składu chemicznego (Pb,Sn)Te) uniemożliwia wytwarzanie bezdefektowych heterostruktur tego typu. W naszym przypadku niedopasowanie do wz-GaAs wzdłuż osi nanodrutów jest zredukowane do ok. 2-4%. Należy podkreślić, że rozważane jest tu niedopasowanie strukturalne typu „płaszczyzna na płaszczyźnie”, a zatem uwzględniane są różnice stałych sieciowych obu materiałów w dwóch kierunkach w płaszczyźnie interfejsu, które mogą mieć różne wartości. Traktując analogicznie przypadek nanodrutów typu rdzeń-powłoka, rola „podłoży” dla wzrastanych powłok przypada ścianom rdzenia. W związku z dużym stosunkiem długości do średnicy rozważanych tutaj nanodrutów mamy do czynienia ze znacznym ograniczeniem długości w jednym z kierunków na ścianie rdzenia nanodrutu (szerokość ścianki jest znacznie mniejsza niż jej wysokość, mierzona wzdłuż osi nanodrutu). Dzięki temu problem naprężeń w przypadku nanodrutów nie jest tak istotny, jak w przypadku wytwarzania heterowarstw. Pokazaliśmy również, że w zależności od (kontrolowanej poprzez warunki wzrostu) orientacji bocznych ścianek nanodrutów wz-GaAs, można uzyskać dwie różne orientacje powłoki (Pb,Sn)Te – {100} lub {110} – natomiast przewidywane teoretycznie stany topologiczne na drugiej z tych powierzchni nie zostały do tej pory doświadczalnie zbadane.
Nasza praca pokazuje potencjał nanoskalowych heterostruktur wytwarzanych w postaci struktur jednowymiarowych. Pozwala to na uzyskanie nowych funkcjonalności – w naszym przypadku, zwielokrotnienia liczby powierzchni topologicznego izolatora krystalicznego ze stanami powierzchniowymi podlegającymi topologicznej ochronie. Nanodruty są też dogodną platformą umożliwiającą badanie topologicznie chronionych jednowymiarowych stanów krawędziowych, przewidywanych teoretycznie na styku bocznych ścianek.
