İki boyutlu atomik kristal heteroyapıların yapısı ve fiziksel özellikleri ile ilgili araştırmalarda ilerleme
İki boyutlu atomik kristal malzemelerin klasik bir temsilcisi olan grafen, benzersiz elektronik ve fiziksel özellikleri nedeniyle, 2004 yılında ana grafitinden soyulduğundan beri, dünya çapında araştırmaları tetikleyen, sadece birkaç yıl içinde dünyaca ünlü bir araştırma noktası haline geldi. Yeni iki boyutlu kristal malzemelerin keşif ve araştırma patlaması. Farklı fiziksel özelliklere sahip iki boyutlu kristalin malzemelerin üst üste binmesi, bazı yeni malzeme yapıları ve fiziksel özellikler üretme olasılığı yüksektir.Örneğin, grafen-bor nitrür heterojen lamine yapıda, yeni fiziksel özellikler gözlenmiştir, bu da bunu doğrulamaktadır. Yıllar önce yapılan teorik tahminler (Hofstadter'in kelebeği - elektronların manyetik bir alandaki hareketini tanımlayan mükemmel bir fraktal model). Son teorik çalışmalar, topolojik izolatörlerin ve (s-dalgası) süperiletkenlerin heterojen lamine yapısını inceleyerek, topolojik kuantum hesaplamada kararlı oluşması beklenen Majorana Fermi parçacıklarını gözlemlemenin çok mümkün olduğunu göstermiştir. Kübitler, yüksek verimli topolojik kuantum bilgisayarları mümkün kılar, bu nedenle bu yığılmış yapının tasarımı ve inşası çok önemli bilimsel değere ve uygulama olanaklarına sahiptir. Bu alandaki araştırmalar için yüksek kaliteli malzemelerin hazırlanması anahtar ve temeldir.Farklı özelliklere sahip bu tür malzemelerin heterojen lamine yapısının nasıl elde edileceği ve fiziksel özelliklerinin ölçümünün nasıl gerçekleştirileceği çok zordur.
Çin Bilimler Akademisi / Pekin Ulusal Yoğun Madde Fiziği Laboratuvarı Fizik Enstitüsü'nün Gao Hongjun araştırma grubu (hazırlık aşamasında), yeni iki boyutlu kristal malzemelerin hazırlanması, fiziksel özellikleri ve uygulamaları üzerine uzun yıllar boyunca temel araştırmalara adanmış ve bir dizi araştırma sonucuna ulaşmıştır. Son zamanlarda, doktora öğrencisi Wang Yuqi ve Wu Xu, araştırmacı Wang Yeliang, vb., HfTe3 / HfTe5 (süperiletken-topolojik yalıtkan) heterojen ince film malzemesinin hazırlanmasını başarıyla gerçekleştirdi ve yapısını ve fiziksel özelliklerini inceledi. Teorik analiz ve hesaplama açısından, enstitüde Weng Hongming, Dai Xi ve Fang Zhong ile işbirliği yaptılar; fotoelektron enerji spektrum analizi açısından Pekin Senkrotron Radyasyon Merkezi'nin yardımcı araştırmacısı Wang Jiaou ile işbirliği yaptılar. Malzeme yapısı analizi açısından, Chen Genfu tarafından sağlanan tek kristal numuneler üzerinde karşılaştırmalı deneyler yapmak için enstitüdeki araştırmacı Chen Genfu ile işbirliği yaptık.
Deneysel tasarımın başlangıcında, beş hafniyum tellüridin (HfTe5) teorik olarak topolojik bir yalıtkan olduğunun tahmin edildiğini fark ettiler (0,4 eV'lik bir enerji boşluğu (Weng Hongming, Dai Xi ve Fang Zhong, vb., Phys. Rev. X4, 011002 (2014)) Buna ek olarak, hafniyum tritellurid (HfTe3) kütlesi süper iletken özelliklere sahiptir Hafniyum tritelluride ve hafniyum tritelluride yapıları benzer yapıdadır ve her ikisi de iki boyutlu katmanlı bir konfigürasyona sahiptir (Şekil 1b, 1c). Hafniyum tellür, zikzak tellür zinciri ile bağlanan hafniyum tritelluridin üçgen prizma yapısı olarak kabul edilebilir.Hafniyum tritellurid-hafniyum pentatelluridin heterojen filminin yeni bir süperiletken-topolojik yalıtkan film malzemesi türü olması beklenmektedir. Majorana Fermi parçacıkları gibi yeni fiziksel olayları incelemeye gelin.
Bu heterojen film malzemesini elde etmek, fiziksel özellikleri hakkında daha fazla araştırma yapmak için gerekli bir ön koşuldur. Şu anda, iki boyutlu malzeme heteroyapıları hazırlamak için yaygın olarak kullanılan yöntem, dökme malzemelerin soyulması ve ardından istifin aktarılmasıdır.Ancak, mikro işleme teknolojisine dayanan bu yöntem, hazırlama işleminin karmaşıklığını arttırmakta ve elde edilen heteroyapı filmlerinin kusurları artmakta ve arayüz kolaylıkla etkilenmektedir. Kirlilik, performansının düşmesine veya değişmesine neden olur. Bu nedenle, yüksek kaliteli hafniyum üç tellürid-hafniyum beş tellürid heterojen film malzemeleri hazırlamak için bir yöntem bulmak özellikle önemlidir. Sinterleme yöntemi, tek fazlı dökme malzemeleri hazırlamak için kullanılabilir ve atomik kalınlıkta hafniyum tritellurid filmlerin ve hafniyum pentatellurid heterojen numunelerinin hazırlanması daha önce rapor edilmemiştir. Bu iki boyutlu ince film malzemenin nasıl gerçekleştirileceği ve farklı fiziksel özelliklere sahip malzemelerin (hafniyum tritelluride ve hafniyum pentatelluride) lamine yapılarının ve fiziksel özelliklerinin ölçümünün nasıl gerçekleştirileceği akıllıca düşünmeyi gerektirir. Son yıllarda, araştırma grubu grafen, silisen, germanen ve hafniyum gibi tek elementlerden oluşan geniş alanlı yüksek kaliteli iki boyutlu atomik kristal malzemeler hazırlamak için moleküler ışın epitaksisini kullandı [Adv. Mater. 21, 2777 (2009); Nano Lett. 13, 685 (2013); Nano Lett. 13, 4671 (2013); Adv. Mater. 26, 4820 (2014). İki elementli veya çok elementli bileşiklerin epitaksiyal büyümesi için, çoklu ışın kaynakları gereklidir, ekipman daha karmaşıktır ve element oranı kontrolü de çok zordur. Araştırma grubu, temel elementi bir ışın kaynağıyla değiştirmeyi ve temel elementin doğrudan reaksiyona katılmasına izin vermeyi önerdi, bu sadece ekipmanı basitleştirmekle kalmıyor, aynı zamanda süreci daha kontrol edilebilir hale getiriyor. Bu teknolojiyi kullanarak, yüksek kaliteli yarı iletken özelliklere sahip tek katmanlı bir platin diselenid (PtSe2) filmi başarıyla hazırladılar [Nano Lett. 15, 4013 (2015)]. Dahası, yakın zamanda Tsinghua Üniversitesi profesörü Zhou Shuyun'un grubuyla işbirliği yaptılar ve filmin yerel Rashba etkisi nedeniyle hala dönme katmanı kilitlemeye sahip olduğunu keşfettiler.
Gerekli süperiletken-topolojik yalıtkan iki boyutlu atomik kristal malzemeyi ve lamine yapısını hedefleyen araştırma grubu, yeni bir hazırlık yöntemi keşfetti ve iki boyutlu bir düzlemde üç hafniyum tellürid-hafniyum beş tellüridi başarıyla elde etti Genişletilmiş katmanlı yapı. Hazırlama işlemi (Şekil 1) temel olarak aşağıdaki adımları içerir: a) Vakum ortamında, uygun miktarda yüksek saflıkta tellür buharlaştırılır ve geçiş metali hafniyum substratı üzerine bırakılır; b) örnek, tellür ışın akımını kapsayacak şekilde tutulurken tavlanır. Hafniyum substratının yüzeyindeki tellür atomları, hafniyum pentatelluridden iki boyutlu sıralı kristalin bir film oluşturmak için substrat üzerindeki hafniyum atomları ile etkileşime girer; c) Hafniyum pentatelluridin en üst katmanını oluşturmak için numuneyi daha yüksek bir sıcaklıkta tavlayın Yapı, üçlü tellürid hafniyum katmanı oluşturmak için değişir. Sıcaklık gibi deneysel parametreleri kontrol ederek, hafniyum tritellurid-hafniyum pentatellurid-metal hafniyumun iki boyutlu yığılmış yapısı hazırlanabilir. Bu heterojen yapının tüm oluşum süreci, yerinde fotoelektron spektroskopisi (XPS, Şekil 2), taramalı tünelleme mikroskobu / taramalı tünelleme akımı diferansiyel spektroskopisi (STM / STS, Şekil 3) dahil olmak üzere çeşitli tekniklerle karakterize edilir ve analiz edilir. 4) Bekleyin. Fiziksel özellik ölçümleri, sıralı kristalli hafniyum beş tellürid filmin belirgin bir bant boşluğuna sahip olduğunu (Şekil 3) ve hafniyum üç tellurid katmanının süper iletken özelliklere sahip olduğunu göstermektedir (Şekil 5).
Bu çalışma serisi, hafniyum tritelluride-hafniyum pentatelluride kristalin durumu gibi ince film malzemelerinin iki boyutlu atomik kristal heterojonksiyonun yeni üyeleri olduğunu ve gelecekte bilgi elektroniği ve cihazlarının geliştirilmesi ve araştırılmasında potansiyel uygulama olanaklarına sahip olduğunu bildirmektedir. İlgili sonuçlar "Advanced Materials" (Adv. Mater. 28, 5013 (2016)) ve "Nature Communications" (Nature Communications 8, 4216 (2017)) dergilerinde yayınlandı.
Yukarıdaki çalışma Bilim ve Teknoloji Bakanlığı, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı ve Çin Bilimler Akademisi'nin ilgili projeleri tarafından finanse edildi.
Şekil 1. (a, b, c) Hafniyum üçlü tellürid-hafniyum pentatellürid heterojen filminin hazırlanma sürecinin şematik diyagramı; (d) tek katmanlı hafniyum pentatellurid atomik yapısı, (e) tek katmanlı hafniyum üçlü tellüridin atomik yapısı ve (F) Lamine yapının şematik diyagramı.
Şekil 2. Hafniyum üç tellurid-hafniyum beş tellür laminatının oluşum sürecinin yerinde XPS analizi. (A) Farklı sıcaklıklarda tellür parçacıklarıyla biriktirilen numunenin tavlanması, substrat üzerindeki tellür atomları ve hafniyum atomları, bir hafniyum pentatellurid film oluşturmak için 500 'de reaksiyona girer. (B, c) Örnek, tavlama süresini uzatmak için 560 'da tutulur, üstteki hafniyum pentatellurid bir hafniyum tritellurid filmi oluşturur ve hafniyum tritelluridin hafniyum pentatelluride oranı yaklaşık 5 dakika sonra değişmeden kalır.
Şekil 3. Hf (0001) yüzeyinde hazırlanan Hafniyum pentatellurid film. (A) Şematik diyagram: Tellür parçacıklarıyla biriktirilen numune ~ 500'de tavlanır ve substratın yüzeyindeki tellür atomları, bir hafniyum pentatellurid filmi oluşturmak için substrat üzerindeki hafniyum atomları ile etkileşime girer. (B, c) Atomla çözümlenmiş STM görüntüleri ve ilgili modeller. (D) Fotoelektron spektroskopisi, tek kristal numunenin ve ince film numunesinin karşılaştırma deneyi. (E) Hf (0001) yüzeyinde hazırlanan hafniyum pentatelluridin tünel akımı diferansiyel spektrumu. Gözlemlenen enerji açığı (okla gösterilen) hafniyum pentatelluridin yalıtkan elektrik özelliklerini ortaya koymaktadır. (F) DFT ile hesaplanan bant aralığı ile kalınlık arasındaki ilişki.
Şekil 4. Hafniyum tritelluride-hafniyum pentatelluride Hf (0001) yüzeyinde hazırlanmış lamine malzeme. (A) Şematik diyagram: Numune 560'da tavlanır, böylece üstteki hafniyum pentatellurid bir hafniyum tritellurid film haline gelir. (B, c) Atomla çözümlenmiş STM görüntüleri ve ilgili modeller. (D) Hazırlanan hafniyum tritelluridin enerji boşluğu olmayan tünel akımı diferansiyel spektrumu.
Şekil 5. Hf (0001) yüzeyinde hazırlanan hafniyum tritellurid-hafniyum pentatellurid lamine malzemenin tünel akımı diferansiyel spektrumu. (A, b) Değişken sıcaklık deneysel verileri, (c, d) Değişken manyetik alan deneysel verileri, hafniyum tritelluridin süper iletkenliğini ortaya çıkardı.
