Ułatwienia dostępu

2025-05-12
Osiągnięcia

Skuteczne osadzenie topologicznego izolatora krystalicznego na nanodrutach GaAs

Scientific Reports 14, 589 (2024)

Nanodruty wurcytowego arsenku galu (wz-GaAs) z powłokami z topologicznego izolatora krystalicznego (Pb,Sn)Te obrazowane przy pomocy mikroskopii elektronowej: (a) obraz ze skaningowego mikroskopu elektronowego, nanodruty na podłożu GaAs(111)B. (b) i (c) Obrazy z wysokorozdzielczego transmisyjnego mikroskopu elektronowego; odległości pomiędzy wybranymi płaszczyznami krystalograficznymi są zaznaczone przez zestawy równoległych linii i oznaczone przez „d”, ze wskaźnikami Millera w subskrypcie. (b) Fragment nanodrutu w widoku planarnym (nanodrut umiejscowiony na siatce mikroskopowej); symbole „T” na interfejsie oznaczają dyslokacje niedopasowania; wstawka w prawym dolnym rogu pokazuje orientacje nanodrutu względem wiązki elektronów w mikroskopie. (c) Fragment przekroju poprzecznego nanodrutu pokazujący interfejs pomiędzy wurcytowym rdzeniem GaAs i powłoką (Pb,Sn)Te o strukturze regularnej; dyslokacje niedopasowania zaznaczone są krótkimi ukośnymi liniami.
Skuteczne osadzenie topologicznego izolatora krystalicznego na nanodrutach GaAs

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.

285

Prace naukowe

Sania Dad, Piotr Dziawa, Wiktoria Zajkowska-Pietrzak, Sławomir Kret, Mirosław Kozłowski, Maciej Wójcik & Janusz Sadowski

Kontakt do naukowców w IF PAN

Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.


Materiały graficzne


Zobacz więcej

Supersieci ZnCdO/ZnMgO domieszkowane jonami europu

Naukowcy z IF PAN odkryli metodę uzyskania efektywnej emisji fotonów światła czerwonego, zielonego oraz w obszarze ultrafioletu z supersieci kwantowych. Obserwacja ta jest bardzo ważna dla potencjalnych zastosowań w półprzewodnikowych diodach elektroluminescencyjnych LED świecących światłem zbliż...

ZrN nowatorskim kontaktem elektrycznym do nanodrutów GaN

Cienka metaliczna warstwa azotku cyrkonu (ZrN) naniesiona na podłoże okazuje się nie tylko ułatwiać formowanie nanodrutów z azotku galu (GaN), ale jednocześnie tworzy niskooporowy omowy kontakt elektryczny do ich dolnych końców. Zjawisko to umożliwia efektywne sterowanie elektryczne emiterami świ...

Wzmocnienie luminescencji nanodrutów GaN poprzez ultracienkie powłoki tlenkowe

Nasi naukowcy odkryli, że pokrycie nanodrutów GaN ultracienkimi powłokami tlenkowymi znacznie zwiększa wydajność ich luminescencji, a jednocześnie zabezpiecza przed foto degradacją spowodowaną oddziaływaniem z otoczeniem. Obserwacja ta jest ważna dla ewentualnych zastosowań nanodrutów w półprzewo...
Zapamiętaj ustawienia
Ustawienia plików cookies
Do działania oraz analizy naszej strony używamy plików cookies i podobnych technologii. Pomagają nam także zrozumieć w jaki sposób korzystasz z treści i funkcji witryny. Dzięki temu możemy nadal ulepszać i personalizować korzystanie z naszego serwisu. Zapewniamy, że Twoje dane są u nas bezpieczne. Nie przekazujemy ich firmom trzecim. Potwierdzając tę wiadomość akceptujesz naszą Politykę plików cookies.
Zaznacz wszystkie zgody
Odrzuć wszystko
Przeczytaj więcej
Essential
Te pliki cookie są potrzebne do prawidłowego działania witryny. Nie możesz ich wyłączyć.
Niezbędne pliki cookies
Te pliki cookie są konieczne do prawidłowego działania serwisu dlatego też nie można ich wyłączyć z tego poziomu, korzystanie z tych plików nie wiąże się z przetwarzaniem danych osobowych. W ustawieniach przeglądarki możliwe jest ich wyłączenie co może jednak zakłócić prawidłowe działanie serwisu.
Akceptuję
Analityczne pliki cookies
Te pliki cookie mają na celu w szczególności uzyskanie przez administratora serwisu wiedzy na temat statystyk dotyczących ruchu na stronie i źródła odwiedzin. Zazwyczaj zbieranie tych danych odbywa się anonimowo.
Google Analytics
Akceptuję
Odrzucam