Molecular beam epitaxy and characterization of doped topological insulators for spintronics and quantum anomalous hall effect applications

Abstract

Topological insulators are highly valued for their distinctive electronic properties, particularly their topologically protected surface states. Among TIs, Bi2Te3 stands out due to its large bulk band gap. The realization of topologically protected surface states is largely dependent on the quality of deposited thin films. However, the epitaxial growth modes, thickness, and phase segregation of Bi2Te3 and its Sb-doped variant remain inadequately understood. Our study aims to elucidate the effects and importance of growth kinetics on the quality of thin films deposited, including deposition rates, annealing time, substrate temperature, and growth duration. We employed techniques such as X-ray diffraction, X-ray reflectivity, and atomic force microscopy for structural characterization, X-ray photoelectron spectroscopy and energy-dispersive X-ray spectroscopy for electronic characterization, and Raman spectroscopy for optical characterization. We explored two main avenues. First, we investigated the impact of growth rate on strain in Bi2Te3 thin films by varying the flux of deposited material. Second, we examined the effect of doping levels in Sb-doped Bi2Te3. In both investigations, all other growth parameters were kept constant. In our analysis we observed an undesirable secondary phase peak at 015 in both Bi2Te3 and Sb-doped Bi2Te3 films. For Bi2Te3 films, reducing the growth rate nearly eliminated this secondary phase. In Sb-doped Bi2Te3, increasing the Sb flux achieved a similar result. In both cases, pronounced thickness fringes indicated coherence between the film surface and the substrate. Our research underlines the capability of our deposition system to achieve high-quality growth and fine-tuned control over the properties of Bi2Te3 and its Sb-doped films, demonstrating significant potential for future electronic and spintronic applications.

Topolojik yalıtkanlar (TY), özellikle topolojik olarak korunan yüzey durumları nedeniyle, benzersiz elektronik özellikleri açısından büyük değer taşımaktadır. TY'lar arasında Bi2Te3, geniş hacim bant aralığı nedeniyle öne çıkmaktadır. Topolojik olarak korunan yüzey durumlarının gerçekleştirilmesi, büyük ölçüde biriktirilen ince filmlerin kalitesine bağlıdır. Bununla birlikte, Bi2Te3 ve Sb katkılı varyantının epitaksiyel büyüme modları, kalınlığı ve faz ayrışması yeterince anlaşılmamıştır. Bu çalışmamız, biriktirme hızları, tavlama süresi, alttaş sıcaklığı ve büyüme süresi dahil olmak üzere büyüme kinetiğinin biriktirilen ince filmlerin kalitesi üzerindeki etkilerini ve önemini açıklamayı amaçlamaktadır. Yapısal karakterizasyon için X-ışını kırınımı, X-ışını yansıması ve atomik kuvvet mikroskopu; elektronik karakterizasyon için X-ışını fotoelektron spektroskopisi ve enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi ve optik karakterizasyon için Raman spektroskopisi tekniklerini kullanılmıştır. Bu tez çalışmasında iki ana yol izlenmiştir. İlk olarak, biriktirilen malzemenin akışı değiştirilerek Bi2Te3 ince filmlerinin kalınlığının filmlerdeki gerilme üzerindeki etkisi araştırılmıştır. İkinci olarak, Sb katkılı Bi2Te3'de katkılama seviyelerinin yapısal özelliklere etkisi incelenmiştir. Her iki alt çalışmada da diğer tüm büyütme parametreleri sabit tutulmuştur. Analizimizde hem Bi2Te3 hem de Sb katkılı Bi2Te3 filmlerinde 015'te istenmeyen bir ikincil faz piki gözlemlenmiştir. Bi2Te3 filmleri için büyüme hızının azaltılması bu ikincil fazı neredeyse ortadan kaldırmıştır. Sb katkılı Bi2Te3'de, Sb akışının artırılması benzer bir sonuç getirmiştir. Her iki durumda da belirgin kalınlık saçakları film yüzeyi ile substrat arasındaki uyumu göstermiştir. Araştırmamız, biriktirme sistemimizin yüksek kaliteli büyüme ve Bi2Te3 ile Sb katkılı filmlerinin özelliklerinin ince ayarlanmış kontrolünü sağlama yeteneğini vurgulamakta ve gelecekteki elektronik ve spintronik uygulamalar için önemli bir potansiyel göstermektedir.