Проведена экспериментальная проверка свойств перспективного полупроводникового материала

Группа исследователей из США и Китая подтвердила, что теллурид висмута Bi₂Te₃ — узкозонный полупроводник и известный термоэлектрический материал — действительно можно причислить к так называемым топологическим изоляторам.

Схема исследования свойств образца теллурида висмута по методике фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (иллюстрация авторов исследования).

Особенность топологических изоляторов состоит в том, что в их приповерхностных слоях электроны могут перемещаться свободно, «без сопротивления». Такие свойства связаны с реализацией квантового спинового эффекта Холла (он аналогичен лучше изученному квантовому эффекту Холла, однако для его проявления не требуется помещать образец в сильное магнитное поле): направление упомянутого движения электронов определяется направлением их спина.

Экспериментальное исследование свойств теллурида висмута проходило в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли и Национальной ускорительной лаборатории SLAC на двух пучках фотонов по методике фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением. Эта технология широко применяется для анализа электронной энергетической структуры поверхности твердых тел; на образец направляется поток фотонов, а информацию о структуре получают при обработке спектра вылетевших фотоэлектронов. В данном исследовании спектры снимались при температуре 15 К, причем в одной лаборатории экспериментаторы могли изменять лишь углы θ и φ (см. рис.), а во второй — все четыре обозначенных угла.

Как оказалось, теллурид висмута даже превзошел ожидания теоретиков, проявив свои свойства при более высокой температуре. Необходимо отметить, что топологические изоляторы нельзя сравнивать со сверхпроводниками, да и линии электропередачи на их основе создать не получится: эти материалы не могут работать с мощными токами. «Надеюсь, они пригодятся при конструировании новых типов транзисторов и устройств спинтроники», — замечает один из авторов исследования Сяолян Ци (Xiaoliang Qi) из Стэнфордского университета.

Ученые особо подчеркивают тот факт, что теллурид висмута довольно легко получать и обрабатывать. «Полупроводниковая промышленность должна быстро освоить выпуск изделий на его основе, — говорит Юйлинь Чэнь (Yulin Chen), коллега г-на Ци. — Более того, его свойства настраиваются путем легирования, которое также выполняется весьма просто».

Полная версия отчета исследователей будет опубликована в журнале Science.

Подготовлено по материалам Национальной ускорительной лаборатории SLAC.