Universität zu Köln

Bliesener, Andrea (2020). Molecular Beam Epitaxy Growth of Topological Materials. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

In the scope of this thesis, four different topological materials grown by molecular beam epitaxy are investigated. The MBE growth conditions have to be optimized for each of the materials. The structural properties of the grown films are studied using x-ray diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM) and energy-dispersive x-ray spectroscopy (EDX). Low-temperature magneto-transport measurements are performed to characterize the magnetic and electrical properties of the samples. The topological insulator (Bi1-xSbx)2Te3 (BST) serves as a basic building block for several applications in this work. The morphology of the grown BST film is improved by optimizing the growth conditions such as growth temperatures, elemental material fluxes, growth duration, etc., and by employing special growth methods like a two-step deposition technique. The optimal growth conditions are found by measuring the film morphology by atomic force microscopy and using x-ray diffraction to confirm the epitaxial and single-phase growth mode. Bulk-insulating BST films with surface carrier dominated conduction and carrier concentrations as low as 10^12cm^-2 are obtained by varying the bismuth-antimony ratio. Furthermore, the necessity of protecting the top surface of the MBE grown film with a capping layer is established. A 3nm-thin Al2O3 which is deposited by atomic layer deposition (ALD), can protect the BST film from oxidization. A robust ferromagnetic order is successfully achieved by doping (Bi1-xSbx)2Te3 with vanadium. The magnetic-field dependence of the Hall resistance is investigated and both, the ordinary Hall effect and the anomalous Hall effect are revealed by the observed hysteresis loops. By extracting the critical temperature and anomalous Hall amplitude from the transport measurements at 2K, the amount of vanadium dopants and the optimal growth temperature are specified. Most significantly, the quantum anomalous Hall effect is observed in the vanadium-doped BST films. As expected, the longitudinal resistance vanishes and the Hall resistance reveals the quantized value of 25.81kOhm when measuring the magnetic-field dependence at 30mK. The quantized resistance is still preserved at 100mK. Furthermore, the current-induced breakdown and the temperature stability of the quantum anomalous Hall effect are investigated. Apart from topological insulators, their superconducting relatives recently attracted a significant interest. Sn1-xInxTe is predicted to be candidate topological superconductor. Thin Sn1-xInxTe films are grown on a Bi2Te3 buffer layer by molecular beam epitaxy. It is found that the films only can be turned into a superconducting state after annealing them in-situ in the MBE chamber right after growth. The critical temperature depends on the annealing time and temperature suggesting a thermal activation process for the superconducting properties. Tunnel-junction devices are fabricated on the films and surface-sensitive tunneling spectra are measured. Even though measurements on regular Hall bar devices suggest conventional superconductivity a peculiar behavior is revealed by the tunneling spectroscopy. Here, a two-gap structure is observed which points to the coexistence of bulk and surface superconductivity. Because of the special properties of the material the surface superconductivity is bound to be topological. Finally, nano-scaled (Bi1-xSbx)2Te3 films are grown by the selective area growth (SAG) method. A Si3N4 film is deposited on a sapphire substrate and afterwards patterned into nanostructures by electron-beam lithography and etched by reactive-ion etching. The pre-patterned substrate is used to selectively grow (Bi1-xSbx)2Te3 nanostructures in the molecular beam epitaxy chamber. The selective growth of the BST films is achieved by optimizing the growth temperature such that film growth takes place only inside the pre-patterned structures and not on top of the Si3N4 layer. Again, by tuning the bismuth-antimony ratio a bulk-insulating film growth is confirmed by magneto-transport measurements on selectively grown Hall bar devices. Furthermore, the efficiency of two different kind of gates fabricated on a BST nanowire is compared. It is found that the gating efficiency of an after growth fabricated top gate is higher than the efficiency of selectively grown BST-side gates.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language In dieser Arbeit werden vier verschiedene topologische Materialien untersucht, die mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) gewachsen wurden. Die MBE Wachstumsbedingungen wurden für jedes einzelne Material optimiert. Die strukturellen Eigenschaften der gewachsenen Filme werden mittels Röntgendiffraktometrie (XRD), Rasterkraftmikroskopie (AFM) und energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) untersucht. Die magnetischen und elektrischen Eigenschaften der Proben werden durch Transportmessungen analysiert. Der topologische Isolator (Bi1-xSbx)2Te3 (BST) bildet die Grundlage für mehrere behandelte Anwendungen in dieser Arbeit. Die Morphologie der gewachsenen BST Filme wird verbessert, indem die Wachstumsbedingungen optimiert werden. Dazu gehören unter anderem die Wachstumstemperatur, die jeweiligen Materialmengen, die Wachstumsdauer und das Anwenden spezieller Wachstumsmethoden wie des Zwei-Stufen-Wachstums. Die optimalen Wachstumsbedingungen wurden gefunden, indem die Morphologie in einem Rasterkraftmikroskop untersucht und das epitaktische und Ein-Phasen Wachstum per Röntgendiffraktometrie bestätigt wurde. Durch Variation des Bismut-Antimon Verhältnis der BST Filme, wurden Filme synthetisiert, in denen die Leitfähigkeit von Oberflächenzuständen dominiert wird und die Ladungsträgerdichten im Bereich von 10^12cm^-2 liegen. Außerdem wird die Notwendigkeit einer Schutzschicht auf der Oberfläche der MBE gewachsenen Filme untersucht. Hierbei wurde festgestellt, dass ein 3nm-dünner Al2O3 Film, der durch Atomlagenabscheiden (ALD) gewachsen wurde, ausreicht, um den Film vor Oxidation zu schützen. Eine robuste ferromagnetische Ordnung wird erfolgreich realisiert, indem BST Filme mit Vanadium versetzt werden. Die Magnetfeldabhängigkeit des Hall Widerstandes wurde untersucht, und es können sowohl der klassische Hall Effekt, als auch der anomale Hall Effekt in den gemessenen Hystereschleifen identifiziert werden. Die Vanadium-Dotierung und Wachstumstemperatur werden optimiert, indem die kritische Temperatur und die Amplitude des anomalen Hall Effektes aus Transportmessungen bei 2K bestimmt werden. Besonders hervorzuheben ist das Erreichen des Quanten anomalen Hall Effektes in den Vanadium-dotierten BST Filmen. Wie erwartet, verschwindet der Längswiderstand und der Hall Widerstand quantisiert bei 25.81kOhm, wenn die Magnetfeldabhängigkeit bei 30mK und ebenso bei 100mK gemessen wird. Außerdem wird der strominduzierte Zusammenbruch und die Temperaturabhängigkeit des Quanten anomalen Hall Effektes untersucht. Neben den toplogischen Isolatoren haben ihre supraleitenden Verwandten ebenfalls für reges Interesse gesorgt. Es wurde vorausgesagt, dass Sn1-xInxTe ein Kandidat für einen topologischen Supraleiter ist. Dünne Filme werden mittels Molekularstrahlepitaxie auf einer Bi2Te3-Zwischenschicht gewachsen. Die Sn1-xInxTe Filme sind nur dann supraleitend, wenn sie sofort nach dem Wachsen in-situ in der MBE Kammer weiter erhitzt werden. Die kritische Temperatur hängt dabei von der Dauer und der Temperatur des Erhitzens ab, was auf einen thermischen Aktivierungsprozess hindeutet. Ein Tunnelkontakt wird auf dem Film fabriziert und oberflächenempfindliche Tunnelspektroskopie gemessen. Obwohl die Untersuchung von normalen Hall bar-devices auf konventionelle Supraleitung hindeutet, zeigen die Tunnelspektroskopie Messungen ein unerwartetes Verhalten. Hierbei wurden zwei Bandlücken gefunden, die auf die Koexistenz von Supraleitung an der Oberfläche und im Inneren des Materials hindeutet. Bedenkt man die topologische Natur der Proben, ist die Oberflächensupraleitung zwangsläufig topologisch. Zudem werden (Bi1-xSbx)2Te3 Nanostrukturen selektiv gewachsen. Ein Si3N4 Film wird zunächst auf einem Saphir Wafer aufgedampft und anschließend durch Elektronenstrahllithographie und selektivem Ätzen in Nanostrukturen strukturiert. Diese vorstrukturierten Substrate werden verwendet, um (Bi1-xSbx)2Te3 Nanostrukturen in der MBE Kammer zu wachsen. Hierbei wird das selektive Wachsen durch das Optimieren der Wachstumstemperatur erreicht, wobei der Film nur innerhalb der Nanostrukturen wächst, nicht aber auf der Si3N4-Schicht. Erneut wird das Bismut-Antimon Verhältnis variiert, um eine oberflächendominierte Leitungen zu erreichen, was durch das Messen der Transporteigenschaften von Hall bar devices bestätigt wird. Außerdem werden die Transporteigenschaften von Nanodrähten untersucht. Hierbei wird die Effizienz von Side-Gates, die aus selektiv gewachsenen BST Filmen bestehen, und einem Top-Gate, das nach dem Wachstum zusätzlich auf dem Nanodraht angebracht wurde, verglichen. Das Top Gate erreicht hierbei eine höhere Gating-Effizienz. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Bliesener, Andrea andreabliesener@t-online.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-468960
Date:	2020
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics II
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language topological insulator English molecular beam epitaxy English thin film growth English tunneling spectroscopy English topological superconductor English selective area growth English quantum anomalous Hall effect English magnetically doped topological insulator English Vanadium-doped (Bi1-xSbx)2Te3 English Sn1-xInxTe English (Bi1-xSbx)2Te3 (BST) English
Date of oral exam:	9 March 2021
Referee:	Name Academic Title Ando, Yoichi Prof. Dr. Lorenz, Thomas Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/46896