Тонкие пленки селенида висмута получили двумя методами: вырастив их на подложках из слюды и электрохимически расщепив объемные кристаллы Bi₂Se₃, причем ученые добились формирования рекордно больших площадей образцов тонких пленок.

Селенид висмута относится к классу топологических изоляторов ― соединений, которые из-за особенностей своих свойств проводят спин-поляризованный электрический ток только по поверхности. При совмещении графена и электрохимически отслоенного селенида висмута удалось увеличить подвижность носителей заряда в пленках, что имеет большое значение для создания быстродействующих электронных устройств, работающих с минимальными тепловыми потерями.

Результаты совместных работ специалистов Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН), Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН (ИГМ СО РАН), Новосибирского государственного университета, Новосибирского государственного технического университета опубликованы в журналах Materials Research Bulletin и Nanotechnology.

Исследования выполнялись при поддержке Российского научного фонда, Российского фонда фундаментальных исследований: проекты № 17–12–01047 и № 18–29–12094, соответственно.

На поверхности тополологических изоляторов можно управлять током электронов имеющих одинаково направленные спины (спин-поляризованных). Практическое применение этого свойства позволит значительно уменьшить тепловыделение, которое существует в привычных электронных приборах, а значит увеличить быстродействие и скорость передачи информации.

Спин ― квантовая характеристика электрона (собственный момент импульса), не зависящая от внешних перемещений частицы. Топологические изоляторы ― кладезь экзотических физических свойств, многие из которых предсказаны пока только теоретически: например, существование майорановских фермионов или магнитного монополя.

Идеальные свойства топологических изоляторов отличаются от тех, что наблюдаются в реальности: кристалл в объеме всё же проводит ток из-за структурных несовершенств. Чтобы воспользоваться технологически привлекательными характеристиками соединений, нужно создать им специальные условия. Решить эту задачу можно, получив идеальный бездефектный кристалл (что пока недостижимо), или тонкую пленку селенида висмута ― по сути, поверхность в чистом виде: ее влияние становится заметным при толщинах пленки менее 100 нанометров.

«Мы давно сотрудничаем со старшим научным сотрудником ИГМ СО РАН кандидатом геолого-минералогических наук Константином Александровичем Кохом, у нас опубликовано около 60-ти совместных работ, касающихся характеристик объемных топологических изоляторов. Константин умеет выращивать высококачественные, практически бездефектные кристаллы, в том числе и селенида висмута. Их можно раскалывать по определенной плоскости и, соответственно, получать гладкую поверхность, которая проявляет нужные свойства, но все еще далекие от идеальных. Поэтому следующий этап развития исследований, к которому мы приступили ― синтез тонких монокристаллических пленок селенида висмута и исследование их электронных свойств», ― говорит заведующий лабораторией физики и технологии гетероструктур ИФП СО РАН, профессор Новосибирского государственного университета доктор физико-математических наук Олег Евгеньевич Терещенко.

Обычно тонкие полупроводниковые соединения выращивают дорогостоящим и сложным методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Константину Коху удалось создать сравнительно простую по конструкции установку, в которой используется газотранспортный метод роста. Он является существенно более дешевым и в эксплуатации и в разработке.