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Molecular-beam epitaxy of topological insulator - superconductor heterostructures on sapphire
2025
Dissertation, RWTH Aachen University, 2025
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-05-21
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-05170
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1012784/files/1012784.pdf
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
MBE (frei) ; superconductor (frei) ; topological insulator (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
Kurzfassung
Jüngste Konzepte für fehlertolerante Quantencomputer basieren auf der Verwendung von Zuständen, die sich wie Majoranafermionen verhalten, welche laut Theorie an den Enden von p-wave-Supraleiternanodrähten existieren. Vor über zehn Jahren wurden topologische Oberflächenzustände in sogenannten topologischen Isolatoren (TI) wie Bi2Te3, Sb2Te3 undBi2Se3 nachgewiesen. Somit boten TIs einen weiteren Weg zur künstlichen Erzeugung vonp-wave-ähnlicher Supraleitung. Die Molekularstrahlepitaxie (MBE) ist eine wohletablierte Methode für das kontrollierte Wachstum dieser Materialien und steht im Mittelpunktdieser Arbeit. Für diese Arbeit wurde c-orientiertes Saphirsubstrat für die kontrollierte Epitaxie von binären (Bi2Te3 und Bi2Se3) und ternären (Bi2-xSbxTe3 und Bi2Te3-ySey) topologischen Isolatoren benutzt. Außerdem wurde das Ferminiveautuning durch Cd-Dotierung vonBi2Se3 untersucht, was für höhere Cd-Anteile in CdBi2Se4-Septupelschichten resultierte. Zusätzlich wurde die Kombination von Bi2Se3 und Sb2Te3 zu Übergittern getestet. Beide Ansätze wurden auf ihre Eignung zur Verbesserung der Kontrolle über die Ausrichtung der Bandlücke zum Ferminiveau untersucht, zeigten aber bisher nicht die nötig Verbesserungen in Transportmessungen. Als nächsten Schritt nach dem planaren Wachstum wurde die selektives Wachstums auf Saphir für die Standard-TI-Materialien umgesetzt, um eine Degradierung der Kristallqualität durch Fabrikationsprozesse und Umgebungsbedingungen zu verhindern. Hall-Messungen zeigen verbesserte Transporteigenschaften durch den Wechsel von Si(111) zu Saphir. Im darauf folgenden Schritt wurde die Schattenbrückentechnik auf Saphir umgesetzt, die die In-Situ-Herstellung von Josephsonkontakten ermöglichte. Nb und Ta wurden als mögliche Supraleiter (SC) für TI-SC Josephsonkontakte untersucht. Um die bekannten Probleme von TI-SC Grenzflächen zu umgehen, wurde die Einführung von Nb in die Bi2Se3-Matrix hinsichtlich intrinsischer Supraleitung in einem TIMaterial untersucht. Dabei wurde ein Wechsel zu einer Schichtstruktur aus BiSe und NbSe2beobachtet, die einen Übergang in eine supraleitende Phase mit zweizähliger Anisotropie bei Magneto-Transport-Messungen zeigt. Dies ist ein notwendiges Anzeichen für nicht-triviale Supraleitung und öffnet den Weg für weitere Untersuchungen. Diese Arbeit demonstriert, dass Saphir eine geeignete Plattform für das Wachstum und die Fabrikation von TI-Bauelementen ist. Außerdem erlaubt die Nutzung von Saphirweitere Kombinationen für TI-SC-Heterostrukturen oder sogar intrinsische topologische Supraleiter, was die Möglichkeiten erhöht, eine geeignete Plattform zu finden, welche die Erzeugung von Majorana-ähnlichen Zuständen für das Quantum Computing erlaubt.Recent concepts in fault-tolerant quantum computing are based on use of Majorana fermionlike states. These states are proposed to exist at the edges of a p-wave superconductor nanowires. Over ten years ago, the discovery of topological surface states in topological insulators (TIs) such as Bi2Te3, Sb2Te3, and Bi2Se3 offered a new pathway towards the artificial creation of p-wave-like superconductivity. Molecular beam epitaxy (MBE) is an already established method for the controlled growth of these materials and is the center of this thesis. In this work, c-plane sapphire substrate was used for the controlled epitaxy of binary(Bi2Te3 and Bi2Se3) and ternary (Bi2-xSbxTe3 and Bi2Te3-ySey) topological insulators. Furthermore, Fermi level tuning was explored through Cd-doping of Bi2Se3, which resulted in CdBi2Se4 septuple layers for higher Cd incorperation. The stacking of Bi2Se3 and Sb2Te3into superlattices also has been tested. Both approaches were investigated to determine their suitability for enhancing the control over the band gap alignment towards the Fermi level, but did not show yet the necessary improvements. To progress from the plain growth, selective area epitaxy on sapphire was adopted for the standard TI materials to prevent degradation of crystal quality during fabrications processes and exposure to ambient conditions. Hall measurements demonstrate improved transport properties when switching from Si(111) to sapphire. In the next step, the shadow bridge technique on sapphire has been implemented, which enables in-situ fabrication of Josephson junctions. Nb and Ta were explored as potential superconductors (SC) for TI-SC Josephson junctions. To circumvent the typical interface problems of the TI-SC heterostructures, the introduction of Nb into the Bi2Se3 matrix was also studied to investigate intrinsic superconductivity in a TI material. I observed a change into a misfit layered structure of BiSe and NbSe2,which resulted in a transition into a superconducting phase with a two-fold anisotropy in magneto-transport measurements. This is already a necessary sign towards non-trivial superconductivity and paves the way for further investigations. This thesis demonstrates that utilizing sapphire as a platform for growing and fabricating TI-based devices is a viable way to improve their performance. Sapphire also allows for further material combinations for either TI-SC heterostructures or even intrinsic topological superconductors, increasing the possibilities of finding a suitable platform for creating Majorana-like states which can be harnessed then towards quantum computing.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT031170563
Interne Identnummern
RWTH-2025-05170
Datensatz-ID: 1012784
Beteiligte Länder
Germany
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