Некоторые многослойные полупроводники обладают необычным свойством — несимметричной проводимостью. Теперь ученые выяснили, где именно возникает этот эффект. Оказалось, что он зарождается только на особой границе между твердыми «слоями» полупроводника, которые отличаются по электронным свойствам. Это опровергает существующие предположения о том, что несимметричная проводимость возникает вне зависимости от окружения.

Результаты работы опубликованы в журнале Scientific Reports. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ).

В целом цикле работ группа ученых из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва), Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (Москва), Института физики полупроводников имени А.В. Ржанова (Новосибирск) с коллегами из Регенсбургского университета (Германия) исследовала фотопроводимость в многослойных полупроводниках при облучении лазером. Фотопроводимость — это явление, при котором материал меняет способность пропускать через себя электрический ток при электромагнитном облучении.

Исследователи выяснили, что в полупроводниках особого строения — твердых растворах, где в верхних слоях находятся атомы тяжелых химических элементов, а ниже они постепенно замещаются более легкими, тем самым создавая градиент, — фотопроводимость ведет себя весьма необычно. Она несимметрична, то есть отличается (в одних случаях выше или ниже, чем в других) относительно направления магнитного поля, а также для двух симметрично расположенных пар контактов, измеряющих силу тока.

Последовательность расположения слоев в полупроводниковой гетероструктуре на основе теллуридов ртути и кадмия. Источник: Kazakov A. S. et al. / Scientific Reports, 2021

Дальнейшие исследования показали, что этот эффект связан с еще одним необычным явлением: при воздействии лазерного излучения ток в полупроводнике протекает не «от плюса к минусу», а по кругу вдоль его края, то есть создает своеобразное кольцо, охватывающее полупроводник. Механизм такого феномена пока неясен.

Тем не менее, чтобы в дальнейшем исследовать причину этого явления, было важно установить, в каком именно месте сложной «слоистой» структуры возникает несимметричная фотопроводимость.

В нынешних исследованиях ученые показали, что она появляется только на особой границе, где слой проводника, не содержащий атомов тяжелых металлов, переходит в слой с тяжелыми металлами, такими как ртуть. При этом последний из-за тяжелых атомов работает как топологический изолятор — тип полупроводника, на поверхности которого возникают так называемые дираковские двумерные электронные состояния.

Это явление, при котором электроны атомов обладают нулевой эффективной массой, то есть движутся при приложении электрического напряжения так, как если бы обладали массой, равной нулю, а также не рассеиваются на примесях и дефектах полупроводника, тем самым увеличивая его проводимость.

Направление фототоков в многослойном полупроводнике при действии магнитного поля. Источник: Kazakov A. S. et al. / Scientific Reports, 2021

«О практическом использовании топологических изоляторов на сегодняшний день говорить преждевременно. Но наличие в них особых электронных состояний делает их привлекательными для использования в электронике, ведь это свойство позволяет материалу эффективно проводить электрический ток. Кроме того, такие состояния очень устойчивы к различным повреждениям: например, если испортить поверхность полупроводника, они никуда не исчезнут. Однако, чтобы использовать ценные свойства топологических изоляторов на практике, необходимо еще много серьезных исследований», — рассказывает руководитель гранта РНФ Дмитрий Хохлов, член-корреспондент РАН, профессор, доктор физико-математических наук, руководитель лаборатории физики полупроводников физического факультета МГУ.