Температурно-временные режимы Ван-дер-Ваальс эпитаксии тонких пленок Bi2Se3 на слюде / Кох К.А., Небогатикова Н.А., Кустов Д.А., Антонова И.В., Кузнецов А.Б., Голяшов В.А., Степина Н.П., Терещенко О.Е.

Практическое применение электронных свойств топологических изоляторов ограниченообъемной проводимостью кристаллов. Получение тонких пленок (толщиной менее 100 нм) позволяетзначительно уменьшить объемную проводимость и сформировать поверхностные состояния со спинполяризованной проводимостью. Существующие подходы к получению тонких пленокхалькогенидов висмута методами механического, жидкофазного, или электрохимическогорасслоения, как правило, позволяют получать образцы размером порядка нескольких десятковмикрон. В то время как для создания гетероструктур на основе топологических изоляторов требуютсяобразцы ~100 мкм. В данной работе проведен эпитаксиальный рост пленок Bi2Se3 из газовой фазы наслюде. В нагреваемом конце кварцевого реактора устанавливалась лодочка с источником в видефрагмента кристалла Bi2Se3. Противоположный конец находился при комнатной температуре и былподсоединен к форвакуумному насосу. В центре реактора, в области градиента температурустанавливались подложки из технической слюды. По данным рентгенофазового анализа, напротяжении 3-6 см при 500°С реализуется Ван-дер-Ваальс эпитаксия с ориентированнымнарастанием монокристаллического слоя Bi2Se3 плоскостью (0001) на слюде. В диапазоне временинапыления 4.5-26 часов получены пленки, по данным АСМ, толщиной 20 – 300 нм. При уменьшениитемпературы роста до 450оС, рост значительно замедляется. Встречаются зерна размером 300 – 500нм, и рельефом 1 нм (квинтет Se-Bi-Se-Bi-Se) Измерения проводимости при комнатной температурепоказали, что пленки толщиной ~ 20 нм демонстрируют слоевое сопротивление 103 – 104 Ом/кв, а вболее толстых пленках (~ 120-200 нм) слоевое сопротивление падает до 10 Ом/кв. Насыщениесопротивления на уровне 103 – 104 Ом/кв может свидетельствовать о преобладающем вкладе впроводимость поверхностных топологических состояний. Минимальное сопротивление получается вслучае достаточно длительного роста (22 ч) при 500°С. Важно, что при уменьшении времени ростапленки сопротивления имеют примерно одинаковое значение 103 – 104 Ом/кв на протяжении всейпленки. Сходные уровни сопротивления достигнуты по литературным данным на тонких пленкахBiSbTeSe2 при толщине менее 100 нм. Также мы исследовали пленки, полученные при отслоении отобъемного кристалла Bi2Se3. Сопротивление таких пленок составляет 103 – 104 Ом/кв и не зависит оттолщины при толщине менее 80 нм. Исследования морфологии поверхности с помощью СЭМпоказали присутствие посторонней фазы с морфологией, отличающейся от треугольников Bi2Se3. Ееналичие, вероятно, дает вклад в дефектность пленки и падение проводимости в некоторых местахизмерений. Мы предполагаем, что это соединение Bi2SeO2, что подтвердилось с помощью КРспектроскопии на пленках, полученных при 600 и 700оС. Вероятным источником кислорода являетсятермическое разложение слюды. В холодной части подложек отмечено присутствие глобулэлементарного селена. Их наличие мы объясняем низкой активностью кислорода в присутствиибуфера Bi2Se3/Bi2SeO2, которой недостаточно для окисления селена.