ИСТИНА

Целью данного проекта является поиск материалов, обладающих свойствами топологических изоляторов с низкой концентрацией носителей заряда в объеме материала, и всестороннее исследование свойств материалов состава вблизи топологического фазового перехода тривиальный изолятор – топологический изолятор, что будет способствовать дополнению и систематизации имеющихся знаний о новом классе квантовых объектов - топологических изоляторах. Достижение цели требует в первую очередь проведения поиска, сбора и анализа научной литературы для нахождения сведений о системах со структурой тетрадимита и конкретных составов в них, в которых высокомное состояние возможно, исходя из знаний дефектного состава (преобладающих точечных дефектов) и рельефа зонной структуры вблизи запрещенной зоны. Для достижения цели будут решены следующие задачи: 1. Поиск систем, в которых существует фаза со структурой тетрадимита и реализуются протяженные твердые растворы либо ряды индивидуальных соединений с родственными структурами, с целью получения материалов с заданными электронными свойствами (положением точки Дирака в запрещенной зоне, низкой концентрацией носителей заряда). Предпочтительными в данном случае являются системы с максимальной запрещенной зоной для данного класса соединений; системы, в которых реализуется p-n переход при вариации состава из-за изменения типа преобладающих дефектов и особенностей области гомогенности при изменении соотношения металл-халькоген. Для достижения высокоомного также будет проведена модификация материала путем введения электроактивной примеси. Главным образом, внимание будет уделено системам Bi2Te3-Sb2Se3 ↔ Sb2Te3-Bi2Se3 и Bi2Te3-Sb2S3 ↔ Sb2Te3-Bi2S3 а в качестве легирующей примеси, для начала будет рассматриваться Sn. 2. Поиск систем, включающих в качестве компонентов топологический изолятор и тривиальный изолятор, с протяженными твердыми растворами либо рядами индивидуальных соединений с целью получения материалов с заданным электронным строением (энергетическим спектром), например, полуметаллов Дирака. Для этого тривиальный изолятор должен быть структурно или химически схожим, но обладать незначительным спин-орбитальным взаимодействием. Помимо вышеописанных систем, будет исследоваться система Bi2Se3 – In2Se3 для более тщательного изучения точки перехода топологический изолятор – тривиальный изолятор и свойств состояния полуметалла Дирака. 3. Синтез кристаллов твердых растворов и индивидуальных фаз методами направленной кристаллизацией из расплава и газотранспортных реакций, исследование влияние условий выращивания на состав кристаллов и распределение компонентов в их объеме. 4. Экспериментальное и теоретическое исследование электронных свойств кристаллов в зависимости от атомной структуры и дефектного состава и оценка перспектив практического применения полученных составов в качестве материалов для спинтронных приборов.

The aims of this project are the search of materials possessing the property of topological insulators (TIs) with low bulk conductivity and the research of topological phase transition bulk insulator – topological insulator. Topological insulators demonstrate unique electronic properties which give potential opportunity to use these materials in new types of devices such as spintronic and magnetoelectric devices as well as to create quantum computers. For now, the most promising materials for practical purposes are based on solid solutions of bismuth and antimony chalcogenides. First, these phases are stable because these TIs have the structure of the mineral of tetradymite and these crystals are easier to obtain crystals by melt crystallization and chemical transport reaction in comparison with other TIs, however, unfortunately, these chalcogenides have significant bulk conductivity (carrier concentration is approximately 10E19 – 10E21 cm^-3). A huge bulk conductivity restricts the study of unusual surface properties of this class of substances and the making of devices based on them. Therefore, different systems will be considered for goal to find compositions with lower bulk conductivity, then crystals of found compositions will be grown, characterized, and their electronic structure will be investigated by transport measurements as well as by photoemission experiments. Second, the d-block metals and the elements of 13th and 14th groups enable the structure of tetradymite to be modified to obtain types of structurally related compounds and new electronic properties such as the electronic states of the Dirac and Weil semimetals, quantum anomalous Hall effect, etc. Thus, another section of research will have been devoted to arranging the available data of the influence of heterovalent doping on the structure and properties of topological insulators.

1. На основании литературных данных будет выполнен поиск систем, в том числе недостаточно исследованных потенциально пригодных, в которых имеются протяженные ряды твердых растворов, а также возможно образование тройных (четверных) фаз, между известными топологическими диэлектриками, а именно халькогенидами висмута и сурьмы, и классическими диэлектриками (полупроводниками), а также систем, в которых предполагается наличие таких твердых растворов, исходя из кристаллохимических принципов и электронного строения компонентов. 2. Будет проведено экспериментальное и теоретическое исследование твёрдых растворов и фаз в системах, включающих халькогениды висмута и сурьмы, а также возможности легирования соединений. Будет выполнен поиск эффективных легирующих добавок для исследуемых соединений. 2.1. С учётом известных данных о фазовых диаграммах систем будет выполнен пробный синтез кристаллов различного состава в описанных системах, определить их состав и электронные свойства. 2.2. Для выявленных перспективных систем будет выполнен расчет электронной структуры кристаллов различного состава, а также экспериментально определить зависимость ширины запрещённой зоны от состава, определить составы, которым отвечают точки инверсии зон. 3. Будут проведены уточнение оптимальных составов и подбор условий синтеза кристаллов из различных квазибинарных и квазитройных систем, где один из компонентов будет топологический изолятор со структурой тетрадимита. 3.1. На основании полученных зависимостей «состав-структура-свойства» будут выявлены наиболее перспективные составы кристаллов для использования в объёмном и наноразмерном состоянии. 3.2. Для выявленных перспективных составов будут проведены серии экспериментов для выявления оптимальных условий выращивания кристаллов в методе Бриджмена-Стокбаргера (температура, скорость протяжки, градиент). 3.3. Экспериментально (при помощи УФЭС УР) будет доказано получение составов твёрдых растворов и сложных фаз, отвечающих точке инверсии зон либо обладающих иными требуемыми свойствами.

Лаборатория химии и физики полупроводниковых и сенсорных материалов имеет 40-летний опыт работы по выращиванию монокристаллов узкозонных полупроводников, в которых и были обнаружены свойства топологических диэлектриков и кристаллических топологических диэлектриков, а также исследования фазовых диаграмм. Имеется опыт получения высокосовершенных полупроводниковых кристаллов с заданным отклонением от стехиометрии и степенью легирования, а также необходимое оборудование для их роста. Выявлен ряд новых эффектов, в частности, спин-поляризация состояний, сходных с объёмными, сильный круговой дихроизм в УФЭС УР, устойчивость топологических поверхностных состояний к введению магнитных моментов. Систематически исследована реакционная способность халькогенидов висмута и сурьмы с применением комплекса уникальных методов, включая РФЭС высокого давления. Эти результаты получены совместно с зарубежными коллегами из Берлинского центра объединения Гельмгольца. Имеется опыт работы как на лабораторном фотоэлектронном спектрометре, так и в синхротронном центре, в совершенстве владение методами РФЭС и УФЭС. Также имеется опыт квантово-механического моделирования широкого класса низкоразмерных объектов при помощи теории функционала плотности с использованием программных пакетов Gaussian, VASP, Crystal. На примере исследовании структуры и электронных свойств поверхностей топологических изоляторов Bi2Se3 и Bi2Te3, а также других слоистых полупроводниковых соединений: GaSe, GaTe, InSe, SnS, SnSe отработана комплексная методика исследований, применимая для целей настоящего проекта.

1) Подобраны условия выращивания кристаллов для перспективных составов. Для системы Sb2Te3 – Bi2Te3 для получения состава с p-n переходом необходимо проводить медленный рост кристаллов из шихты, обогащённой халькогеном; состав кристалла, соответствующий p-n – переходу – x(Sb) = 0,067. Для системы Bi2Te3 – Bi2Se3 проводить рост кристаллов из шихты, обогащённой металлом; состав кристалла, соответствующий p-n – переходу – x(Te) = 0,55. При росте кристалла из расплава с меньшим избытком Bi p-n – переход сместится в сторону больших мольных процентов теллурида висмута в составе твердого раствора. 2) Определены условия роста методом ХТР монокристаллов Sb2Te3, Bi2Se3 и впервые данным методом получены твердые растворы теллурида висмута-сурьмы и теллуридо-сульфида висмута. 3) Легирование йодом кристаллов твердых растворов Bi2Se3 – Sb2Te3 <-> Bi2Te3 – Sb2Se3 и Bi2S3 – Sb2Te3 <-> Bi2Te3 – Sb2S3 обладающих структурой тетрадимита приводит к образованию донорного дефекта йод на месте теллура, а легирование оловом - к образованию акцепторного дефекта олово на месте висмута. 4) Исследована структура твердых растворов в системах c анионным и катионным замещением: Sb2Te3 – Sb2Se3 и Bi2Te3 – Sb2Te3. Для анионного упорядочения при помощи РФЭС, ПЭМ ВР в сочетании с EDX-картированием, ФЭД доказано наличие значительного разупорядочения в анионной подрешетке. Упорядочение в анионной подрешетке увеличивается с увеличением содержания Se в твердом растворе. Методом РФЭС и ПЭМ ВР доказано статистическое распределение металлов в кристаллической решетке твердых растворов Bi2Te3 – Sb2Te3 и усиление ионности связи при обогащении твердых растворов висмутом. 5) Методом РДА определен параметр решетки на границах области гомогенности Bi2Te3 и Sb2Te3 и определена зависимость параметров решетки от состава для твердых растворов систем Bi2Te3 – Sb2Te3, Bi2Te3 – Bi2Se3, In2Se3 – Bi2Se3, Sb2Se3 – Bi2Se3. Во всех системах, только изменение параметра a подчиняется закону Вегарда. Были даны предположения в отклонение линейности в изменении параметра c с изменением состава твердого раствора. В системе Bi2Te3 – Bi2Se3 не обнаружено расслаивания и появления сверхструктурных линий для образцов, отожженных при температуре 500 °С.