Создание новых квантовых материалов и наносистем для твердотельной и вакуумной спинтроники и оптоэлектроники

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-12-20024

НазваниеСоздание новых квантовых материалов и наносистем для твердотельной и вакуумной спинтроники и оптоэлектроники

Руководитель Терещенко Олег Евгеньевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №66 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-202 - Полупроводники

Ключевые слова Квантовые материалы, синтез новых соединений, графено-подобные системы, топологические изоляторы, гетерострутуры, молекулярно-лучевая эпитаксия, квазидвумерные системы, фотоэмиссия с угловым и спиновым разрешением, спин-зависимый транспорт, спин-вентиль, спиновый транзистор, спин-детектор

Код ГРНТИ29.19.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Переход к новым технологиям обработки данных и хранения информации в виде спиновой поляризации электронов (спинтроника) и использование квантовых алгоритмов (квантовые вычисления) с неизбежностью требует поиска и изучения новых материалов. Все известные свойства (электрические, оптические, магнитные, сверхпроводящие,…) кристаллических тел определяются, помимо структуры и фононного спектра, зонным строением электронного спектра, а именно, электронной и спиновой структурой, а также дальнодействующим магнитным упорядочением спинов. Особенностью же квантовых материалов является отсутствие или минимальное влияние объема материала на поверхностные свойства. В связи с этим, представляется важным создавать и развивать поверхностно-чувствительные методы, позволяющие напрямую измерять электронную и спиновую структуру материалов и, таким образом, предсказывать их квантовые свойства в транспортных измерениях и потенциальных приборах. Одним из таких методов, интенсивно развивающийся в последние два десятилетия, является фотоэмиссия с угловым и спиновым разрешением (spin-and angular resolved photoemission spectroscopy SR-ARPES). Благодаря этому методу экспериментально были открыты кристаллы с линейным законом дисперсии (топологические изоляторы (ТИ), графен и графеноподобные материалы, магнитные ТИ), вейлевские полуметаллы, кристаллы с гигантским расщеплением Рашбы и др. Важно отметить, что приведенные открытия в области зонной структуры кристаллов получены на станциях SR-ARPES на различных, но исключительно зарубежных, синхротронах. Отсюда вытекают три основные задачи, решение которых позволит устранить разрыв и отставание в исследовательской, инструментальной, кадровой базе и сделать Новосибирск одним из ведущих центров в изучении электронной и спиновой структуры квантовых материалов. (1) Создание квантовых материалов и дизайн наносистем для твердотельной спинтроники: Исследования в рамках проекта подразумевают поиск новых квантовых высокоэффективных материалов, которые могут быть использованы в спинтронике, квантовых вычислениях, и выявление основных факторов, ответственных за формирование их электронных и спиновых свойств. В свою очередь, это ставит задачу поиска способов управления спином носителей тока. Принципиальная возможность этого основана на использовании спин–орбитального взаимодействия. Особую ценность имеет информация о влиянии спин–орбитального взаимодействия на электронный спектр низкоразмерных систем. Создание и изучение низкоразмерных систем и гетероструктур на основе материалов с сильным спин-орбитальным взаимодействием, топологических изоляторов является целью настоящего проекта. В данном проекте методом молекулярно-лучевой эпитаксии будут выращены слои топологических изоляторов Pb1-xSnxTe и (BixSb1-x)2(TeySe1-y)3 различного состава, что позволит варьировать положение уровня Ферми в объёме от p- до n- типа проводимости и, таким образом, совместить положение уровня Ферми с дираковским узлом, который находится в запрещенной зоне. Для уменьшения шунтирующего влияния объема, слои ТИ будут выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). (2) Твердотельная спинтроника: C помощью литографических методов будут созданы спин-вентильные устройства («спиновый» транзистор) на основе топологических изоляторов, необходимые для решения принципиально новых фундаментальных и крупных прикладных задач в области спинтроники и квантовых вычислений. Мы будем развивать полученные результаты, успешно завершенного проекта РНФ 17-12-01047 по изучению свойств объемных кристаллов топологических изоляторов, для создания спин-вентильного и спин-транзисторного устройства на основе тонких пленок топологических изоляторов Bi2-SbхTe3-уSeу и PbSnTe, а также графен-подобных 2D системах. С прикладной точки зрения данные исследования внесут вклад в разработку принципиально новых квантовых материалов на основе гетероструктур, свойства которых не имеют аналогов среди обычных веществ и соединений. (3) Вакуумная спинтроника и оптоэлектроника: методы регистрации и управления поляризацией свободных электронов. Создать принципиально новые спин-детекторы свободных электронов для метода фотоэмиссии с угловым и спиновым разрешением (S-ARPES), а также развить технологии вакуумной спинтроники с использованием синхротронного излучения. В частности, будет создан полупроводниковый спин-детектор свободных электронов с пространственным разрешением. Создаваемый детектор позволит эффективно изучать электронную и спиновую структуру кристаллических твердых тел, двумерных объектов, наноструктур и т.д.. В комбинации с методом ARPES это позволит развивать такие методы, как низкоэнергетическую спин-поляризованную дифракцию (SPLEED) и микроскопию (SPLEEM) со спиновым разрешением. Все разрабатываемые методы планируется внедрить на станции 1.6 (Электронная структура) строящегося синхротрона СКИФ (Новосибирск). Наша группа является ответственной за построение ARPES станции на синхротроне СКИФ. В проекте будет решаться одна из ключевых задач в подготовке специалистов в области исследования атомной и электронной структуры квантовых материалов с целью получения результатов мирового уровня. Разработка спин-детектора и вакуумных оптоэлектронных устройств выполняется в тесном сотрудничестве с предприятием «Экран ФЭП». Мы получили бесценный опыт совместной работы и научный задел в вакуумной спинтронике, особенно в области создания и изучения вакуумных полупроводниковых фотодиодов для создания и изучения характеристик спин-детекторов свободных электронов. Совместно с сотрудниками предприятия нами было опубликовано 5 совместных работ в высокорейтинговых журналах, полученные результаты многократно представлялись на различных международных и российских конференциях. Один из наиболее важных результатов совместной работы - полупроводниковый вакуумный фотодиод и солнечный элемент на его основе. В данном проекте мы хотим сделать следующий шаг к созданию спинтронных и оптоэлектронных гибридных структур, позволяющих генерацию (оптическая ориентация), инжекцию и детектирование спиновой поляризации. Основываясь на опыте продуктивного сотрудничества Института физики полупроводников СО РАН и предприятия «Экран ФЭП», мы не сомневаемся в успешной реализации поставленных задач по разработке новых квантовых материалов (наносистем) и устройств, работа которых будет основана на физических принципах спиновой оптоэлектроники. Поставленные в проекте научные задачи и проблемы находятся в русле актуальных проблем современной физики, обусловленных потребностями интенсивного развития современной наноэлектроники и спинтроники, и будут решаться с использованием современных научных тенденций, экспериментальных и теоретических подходов, развиваемых в последнее время во всем мире, что обуславливает научную значимость и перспективность проводимых исследований.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. V. S. Rusetsky, V. A. Golyashov, S. V. Eremeev, D. A. Kustov, I. P. Rusinov, T. S. Shamirzaev, A. V. Mironov, A. Yu. Demin, and O. E. Tereshchenko New Spin-Polarized Electron Source Based on Alkali Antimonide Photocathode PHYSICAL REVIEW LETTERS, 129, 166802 (год публикации - 2022)
10.1103/PhysRevLett.129.166802

2. D. A. Estyunin, T. P. Makarova, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenko, A. M. Shikin, and I. I. Klimovskikh Contact of the intrinsic magnetic topological insulator Mn(Bi, Sb)2Te4 with a superconducting Pb film PHYSICAL REVIEW B, 106, 155305 (год публикации - 2022)
10.1103/PhysRevB.106.155305

3. A.B. Talochkin, K.A. Kokh, O.E. Tereshchenko Optical phonons of GeSbTe alloys: Inﬂuence of structural disorder Journal of Alloys and Compounds, 942, 169122 (год публикации - 2023)
10.1016/j.jallcom.2023.169122

4. O.E. Tereshchenko, V.A. Golyashov, V.S. Rusetsky, D.A. Kustov, A.V. Mironov and A.Yu. Demin Vacuum Spin LED: First Step towards Vacuum Semiconductor Spintronics Nanomaterials, 13, 422 (год публикации - 2023)
10.3390/nano13030422

5. S. Ito, M. Schüler, M. Meierhofer, S. Schlauderer, J. Freudenstein, J. Reimann, D. Afanasiev, K.A. Kokh, O.E. Tereshchenko, J. Güdde, M.A. Sentef, U. Höfer, R. Huber Build-up and dephasing of Floquet–Bloch bands on subcycle timescales Nature, 616, 696 (год публикации - 2023)
10.5283/epub.53924

6. H. Tanaka, A.V. Telegin, Y.P. Sukhorukov, V.A. Golyashov, O.E. Tereshchenko, A.N. Lavrov, T. Matsuda, R. Matsunaga, R. Akashi, M. Lippmaa, Y. Arai, S. Ideta, K. Tanaka, T. Kondo, and K. Kuroda Semiconducting Electronic Structure of the Ferromagnetic Spinel HgCr2Se4 Revealed by Soft-X-Ray Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy PHYSICAL REVIEW LETTERS, 130, 186402 (год публикации - 2023)
10.1103/PhysRevLett.130.186402

7. A.V. Tarasov, T.P. Makarova, D.A. Estyunin, A.V. Eryzhenkov, I.I. Klimovskikh, V.A. Golyashov, K.A. Kokh, O.E. Tereshchenko, A.M. Shikin Topological Phase Transitions Driven by Sn Doping in (Mn1−xSnx)Bi2Te4 Symmetry, 15, 469 (год публикации - 2023)
10.3390/sym15020469

8. N. Kumar, N.V. Surovtsev, P.A. Yunin, D.V. Ishchenko, I.A. Milekhin, S.P. Lebedev, A.A. Lebedev and O. E. Tereshchenko Raman scattering spectroscopy of MBE grown thin film topological insulator Bi2xSbxTe3ySey Phys. Chem. Chem. Phys., 26, 13497 (год публикации - 2024)
10.1039/d4cp01169d

9. Alexey N. Mihalyuk, Leonid V. Bondarenko, Alexandra Y. Tupchaya, Dimitry V. Gruznev, Nadezhda Yu. Solovova, Vladimir A. Golyashov, Oleg E. Tereshchenko, Taichi Okuda, Akio Kimura, Sergey V. Eremeev, Andrey V. Zotov and Alexander A. Saranin Emergence of quasi-1D spin-polarized states in ultrathin Bi films on InAs(111)A for spintronics applications Nanoscale, v. 16 (2024) р. 1272 (год публикации - 2024)
10.1039/d3nr03830k

10. Hideaki Iwasawa, Tetsuro Ueno, Takuma Iwata, Kenta Kuroda, Konstantin A. Kokh, Oleg E. Tereshchenko, Koji Miyamoto, Akio Kimura & Taichi Okuda Efficiency improvement of spin resolved ARPES experiments using Gaussian process regression Scientific Reports, 14, 20970 (год публикации - 2024)
10.1038/s41598-024-66704-8

11. S.A. Rozhkov, V.V. Bakin, V.S. Rusetsky, D.A. Kustov, V.A. Golyashov, A.Yu. Demin, H.E. Scheibler, V.L. Alperovich, and O.E. Tereshchenko Na2KSb/CsxSb interface engineering for high-efficiency photocathodes PHYSICAL REVIEW APPLIED , 22, 024008 (2024) (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevApplied.22.024008

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В отчетном году были продолжены работы по по поиску оптимальных условий эпитаксиального роста различных топологических изоляторов на полупроводниковых подложках, исследована атомная и электронная структура, а также задача управления уровнем Ферми в объёме материала. Мы провели МЛЭ рост немагнитных ТИ на основе BiSbTeSe, а также впервые вырастили магнитные ТИ на основе MnBi2Te4. Время роста и качество растущих слоёв контролировалось по картинам дифракции быстрых электронов (ДБЭ). Методом рентгеновской дифракции доказана кристалличность полученных пленок, а методом РФЭС установлен состав и стехиометрия. Найдены оптимальные условия двумерного роста, изготовлены транзисторные структуры как с прямым, так и обратным затвором. Методом дифракции рентгеновских лучей установлено, что структура выращенных кристаллов состоит из семислойных пакетов, разделенных ван-дер-ваальсовой щелью. Химический/ стехиометрический состав определен методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Изучена спиновая структура магнитных топологических изоляторов на полупроводниковых подложках в области точки Дирака и открытие энергетической щели в точке Дирака. Были исследованы поляризационно-разрешенного резонансного КРС объемных и поверхностных электронных возбуждений, и колебательных мод в тонких пленках Bi2Te3 и Bi2−xSbxTe3−ySey (BSTS). Энергия фотона, близкая к электронным возбуждениям, резонансно возбуждала продольные фононные (ПФ) моды A_1g^1 и A_1g^2 в Bi2Te3 и BSTS из-за межзонных оптических возбуждений дираковских состояний [N. Kumar, N.V. Surovtsev, P.A. Yunin, D.V. Ishchenko, I.A. Milekhin, S.P. Lebedev, A.A. Lebedev and O.E. Tereshchenko. Raman scattering spectroscopy of MBE grown thin film topological insulator Bi2xSbxTe3ySey. Phys. Chem. Chem. Phys., 26, 13497 (2024).] В этом году мы также пытались получить двумерный висмутен: исследованы условия роста, электронная и атомная структура тонких пленок висмута на поверхности InAs(111)A. Обнаружено, что осаждение Bi на поверхность (2×2) InAs(111)A при температуре подложки выше 220°С приводит к появлению новой поверхностной структуры (2√3×3) с прямоугольной элементарной ячейкой, состоящей из димеров Bi и характеризующейся наличием квазиодномерных дырочных состояний со сложной спиновой текстурой вблизи уровня Ферми [Mihalyuk A.N., Bondarenko L.V., Tupchaya A.Y., Gruznev D.V., Solovova N.Y., Golyashov V.A., Tereshchenko O.E., Okuda T., Kimura A., Eremeev S.V., Zotov A.V., Saranin A.A., Emergence of quasi-1D spin-polarized states in ultrathin Bi films on InAs(111)A for spintronics applications, Nanoscale, 16, 1272-1281, 2024.]. При исследовании транспортных свойств эпитаксиальных пленок PbSnTe было изучено локальное и нелокальное магнитосопротивление структур с расстоянием между ферромагнитными контактами 30 мкм. Было обнаружено, что спин-вентильный эффект наблюдается в образцах с составами вблизи точки инверсии зон (хс~0.36). Для структур на основе пленок Pb0.66Sn0.34Te была получена величина нелокального спин-вентильного эффекта ΔR/R=2·10-3, а значение длины спиновой диффузии Ls > 30 мкм, что делает PbSnTe перспективным полупроводником для создания спинового транзистора. Увеличение длины спиновой диффузии в PbSnTe вблизи точки инверсии зон может быть связано с реализацией в них бесщелевого дираковского энергетического спектра. Были продолжены эксперименты по изучению электронной структуры и спиновой поляризации поверхностных и объемных состояний ТИ пленок методом фотоэмиссии с угловым и спиновым разрешением (SR-ARPES). Изучен закон дисперсии соединения HgSe, аналог хорошо известного HgTe, данные о котором в литературе практически отсутствуют. Готовится статья к публикации. Третья задача была посвящена изучению фотоэмиссионных свойств нового мультищелочного фотокатода и спиновой поляризации в условиях механических напряжений, создаваемых разностью коэффициентов теплового расширения подложки и фотокатодного слоя. Дано объяснение смены знака поляризации фотоэмитируемых электронов при охлаждении фотокатодного узла, заключающееся в возникновении механических напряжений вследствие разных коэффициентов термического расширения пленки и подложки. Детально изучен механизм фотоэмиссии низкоэнергетических электронов из мультищелочного фотокатода и получено объяснение преобладанию горячих электронов в энергетическом распределении эмитированных электронов [S.A. Rozhkov et al., Na2KSb/CsxSb interface engineering for high-efficiency photocathodes, Phys. Rev. Appl. v. 22, 024008, 2024.]. Собрана сверхвысоковакуумная установка с источником спин-поляризованных электронов и детектором Мотта, и проведена калибровка полупроводникового спин-детектора и спиновой поляризации свободных электронов из различных фотокатодных структур. Изготовлены новые вакуумные фотодиоды и изучены спин-зависимые свойства вакуумного спинового светоизлучающего фотодиода (spin LED), а также продолжена работа над увеличением спиновой поляризации мультищелочного фотокатода. Мы сделали прорыв в области создания эффективных спин-фильтров свободных электронов на основе нано-мембранных ферромагнитных структур, расположенных на каналах микроканальных пластин, с внутренним усилением потока электронов. Помимо высокой асимметрии и возможности внутреннего усиления в микроканальной пластине, на данных спин-фильтрах ожидается также получить пространственное разрешение [arXiv:2409.13543].

Публикации

Возможность практического использования результатов
Общественная и социальная значимость данного проекта определяется его вкладом в развитие современных технологий в области электронных систем и использованием результатов исследований в современном высокотехнологическом производстве, например, на предприятии «Экран ФЭП». В ходе выполнения проекта студенты и аспиранты проводили исследования на современном научном оборудовании и участвовали в решении приоритетных задач современной науки. Разработаны новые экспериментальные подходы и методики для синтеза и анализа электронной и спиновой структуры и электронных свойств изучаемых систем, результаты проекта используются в учебном процессе.