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 22-72-10124

НазваниеВан-дер-ваальсовый рост слоистых селенидов металлов на поверхности селенида висмута с контролируемой морфологией

Руководитель Рогило Дмитрий Игоревич, Кандидат 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 №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-203 - Поверхность и тонкие пленки

Ключевые слова двумерные материалы, халькогениды металлов, ван-дер-Ваальсовая эпитаксия, поверхность, in situ отражательная электронная микроскопия, высокоразрешающая электронная микроскопия, фотоэмиссионная спектроскопия, расчёты методом теории функционала плотности

Код ГРНТИ29.19.16

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Проект направлен на изучение закономерностей роста двумерных (2D) ван-дер-ваальсовых (ВДВ) гетеросистем на основе халькогенидов металлов (Bi2Se3/SnSe2, In2Se3/SnSe2 или других) с использованием in situ отражательной электронной микроскопии (ОЭМ) для прямой визуализации процесса зарождения и роста в условиях контроля вариации морфологии поверхности подложки от высокой плотности атомных ступеней (вицинальная поверхность) до их полного отсутствия (атомно-гладкая поверхность). Предполагается, что это позволит выявить механизм сложной самоорганизации первого ВДВ слоя при гетероэпитаксии, который включает вращение (twist) 2D ВДВ островков относительно подложки на стадии их зарождения, обеспечивающее высокую плотность структурных дефектов в растущем слое. In situ исследования роста ВДВ гетероструктур будут сопровождаться ex situ ВРЭМ анализом атомной структуры (включая картин муара, возникающих за счет вращения 2D ВДВ островков), морфологии ростовой поверхности, ab initio расчётами адсорбции и диффузии по поверхности халькогенидов металлов, изучением зонной структуры методами фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением и электрофизических свойств и возникающих в них фотогальванических эффектов в интервале температур 20 мК – 300 К и в магнитных полях до 12 Тл. Халькогениды металлов являются слоистыми материалами, характеризующимися сильной связью внутри 2D слоя и слабой ван-дер-ваальсовой — между 2D слоями, что обеспечивает возможность их выращивания на подложках с большим рассогласованием и, в перспективе, совмещение с кремниевой технологией. Как и все ВДВ материалы, они являются основой создания отдельных (freestanding) предельно тонких молекулярных слоёв по аналогии с графеном и получения гибридных структур с вращением при их наложении друг на друга. Двумерные аналоги халькогенидов металлов, как графен и их гибриды, открывают совершенно новые возможности для наноэлектроники, спинтроники и фотоники. За последние два-три года вместе с обнаружением вариации электронной структуры 2D ВДВ гетероструктур при искусственном вращении 2D слоев относительно друг друга возникло новое направление — твистроника, возможности которой являются предметом пристального изучения, что отражается в публикациях в высокорейтинговых журналах: 1. Samajdar, R. et al. Electric-field-tunable electronic nematic order in twisted double-bilayer graphene. 2D Mater. 8, 034005 (2021). 2. Yang, Y. et al. In situ manipulation of van der Waals heterostructures for twistronics. Sci. Adv. 6, eabd3655 (2020). 3. Li, J., Ding, Y., Zhang, D. W. & Zhou, P. Photodetectors Based on Two-Dimensional Materials and Their van der Waals Heterostructures. Acta Physico-Chimica Sin. 35, 1058–1077 (2019). 4. Vishwanath, S., Dang, P. & Xing, H. G. Challenges and Opportunities in Molecular Beam Epitaxy Growth of 2D Crystals. in Molecular Beam Epitaxy 443–485 (Elsevier, 2018). doi:10.1016/B978-0-12-812136-8.00017-7 5. Bhimanapati, G. R. et al. Recent Advances in Two-Dimensional Materials beyond Graphene. ACS Nano 9, 11509–11539 (2015). В настоящее время 2D ВДВ слои халькогенидов металлов с высоким совершенством структуры и однородностью по толщине получают только путём их отщепления от массивных кристаллов [Z. Yang, J. Hao. Recent Progress in 2D Layered III–VI Semiconductors and their Heterostructures for Optoelectronic Device Applications // Adv. Mater. Technol. 4 (2019) 1900108; Xiao Huang, et al., Metal dichalcogenide nanosheets: preparation, properties and applications // Chem. Soc. Rev. 42 (2013) 1934]. Однако их максимальные латеральные размеры пока не превышают нескольких миллиметров. В то же время ван-дер-ваальсовые гетероструктуры характеризуются очень высокой плотностью дефектов [H.D. Li et al. The van der Waals epitaxy of Bi2Se3 on the vicinal Si(111) surface: an approach for preparing high-quality thin films of a topological insulator // New J. Phys. v. 12, p. 103038 (2010)], что не позволяет отщеплять слои большой площади. Основными причинами возникновения большой плотности ростовых дефектов в ВДВ гетероструктурах являются, срастание островков с рассогласованной ориентацией (за счет их вращения), формирование двойниковых дефектов и изменение порядка чередования молекулярных слоёв в 2D островках [S. Vishwanath, et al., Controllable growth of layered selenide and telluride heterostructures and superlattices using molecular beam epitaxy // J. Mater. Res., v. 31, p. 900 (2016)]. Это делает фундаментальную проблему получения бездефектных атомно-гладких ван-дер-ваальсовых плёнок исключительно актуальной для создания как искусственных гибридных 2D ВДВ, так и эпитаксиальных ВДВ гетероструктур [F. Wang et al. 2D Metal Chalcogenides for IR Photodetection // Small 15 (2019) 1901347]. Проблема высокой плотности структурных дефектов ВДВ слоёв тесно связана также с возникающими в процессе роста неоднородностями фазового состава (полиморфизм), которые в значительной степени определяют вариации их электрофизических и оптических свойства [T. Ginley et al. Topological Insulator Film Growth by Molecular Beam Epitaxy: A Review // Crystals 6 (2016) 154]. Для формирования ВДВ структур с низкой концентрацией дефектов и высокой однородностью по составу и толщине слоев критически важны начальные стадии зарождения 2D островков до формирования сплошного слоя [G. Fiori, et al., Electronics based on two-dimensional materials // Nature Nanotechnol. 9 (2014) 768]. Однако для получения полной и достоверной информации о начальных стадиях роста необходимо применение методов in situ микроскопии непосредственно в процессе зарождения и роста новой фазы. В настоящее время такие исследования практически отсутствуют, а основными экспериментальными методами являются атомно-силовая и сканирующая туннельная микроскопия по окончании роста структуры, а также in situ и ex situ интегральные методы дифракции быстрых электронов на отражение, медленных электронов, рентгеновского излучения, комбинационного рассеяния света и других. Управление полиморфизмом халькогенидов металлов (In2Se3, Sb2Te3 и других) — порядком чередования их молекулярных слоёв в элементарной ячейке является сложной задачей [Z. Du et al. Conversion of non-van der Waals solids to 2D transition-metal chalcogenides // Nature 577 (2020) 492, L. Liu et al. Atomically Resolving Polymorphs and Crystal Structures of In2Se3 // Chem. Mater. 31 (2019) 10143, C. Peng et al. Performance improvement of Sb2Te3 phase change material by Al doping // Appl. Surf. Sci. 257 (2011) 10667]. Из ранних работ следует, что возникновение кристаллической фазы слоистого In2Se3 связано главным образом с температурой его синтеза [C. Julien et al. Electrical transport properties of In2Se3 // Phys. status solidi 88 (1985) 687]. Однако сейчас уже установлено, что в процессе роста каждой из фаз селенида индия чередование молекулярных слоёв может происходить путем изменения свойств атомной симметрии (1T, 2H, 3T) [L. Liu et al. Atomically Resolving Polymorphs and Crystal Structures of In2Se3 // Chem. Mater. 31 (2019) 10143]. Принято считать, что для синтеза полиморфных вариантов селенида индия следует использовать разные подложки и положение подложек в реакторе (при росте методом химической газофазной эпитаксии). Однако, атомистические причины формирования того или иного варианта чередования молекулярных слоёв пока остаются неизвестными, и изучение механизма их самоорганизации и влияния морфологии поверхности подложки на процессы 2D зарождения является чрезвычайно актуальным для развития технологии выращивания 2D ВДВ гетероструктур. Ключевым и абсолютно новым решением проблемы высокой плотности дефектов при выращивании 2D ВДВ гетеросистем, предложенным в Проекте, является использование in situ отражательной электронной микроскопии для визуализации процесса роста в условиях контроля морфологии поверхности подложки (создания экстремально широких (до ~200 мкм) атомно-гладких террас либо регулярно распределённых атомных ступеней). Предполагается, что наличие ступеней будет обеспечивать подавление/уменьшение вращения 2D островков на стадии формирования первого сплошного слоя и приведет к уменьшению плотности структурных дефектов в ВДВ гетерослоях. Это определяет новизну Проекта и его уровень, превосходящий мировой. Предполагается, что сочетание управления морфологией поверхности подложки Bi2Se3 и параметрами роста с применением in situ отражательной электронной микроскопии в процессе эксперимента и ex situ высокоразрешающей электронной микроскопии (ВРЭМ) позволит детально исследовать взаимосвязь механизма и условий роста первого ВДВ слоя с появлением/подавлением вращения 2D ВДВ островков на стадии зарождения первого слоя, порядком чередования молекулярных слоёв и конечным структурным совершенством плёнки слоистого халькогенида металла (In2Se3 или другого). Решение проблем, сформулированных в рамках данного Проекта, является необходимым условием снижения концентрации ростовых дефектов и оптимизации технологии молекулярно-лучевой эпитаксии гетероструктур на основе In2Se3 в частности и выращивания ван-дер-ваальсовых гетеросистем в целом.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---