Fabrication and investigation of ultrahigh vacuum compatible interfaces of topological insulators and superconductors

Bhaskar, Priyamvada; Ternes, Markus Peter; Morgenstern, Markus

doi:HT030340733

Fabrication and investigation of ultrahigh vacuum compatible interfaces of topological insulators and superconductors = Herstellung und Untersuchung von ultrahochvakuumkompatiblen Grenzflächen von topologischen Isolatoren und Supraleitern

Bhaskar, Priyamvada^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Priyamvada Bhaskar

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Morgenstern, Markus (Thesis advisor)^RWTH* ; Ternes, Markus Peter (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-08-23

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-08222
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/964278/files/964278.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Proximity Effekt (frei) ; Rastertunnelmikroskopie (frei) ; angle resolved photoemission spectroscopy (frei) ; proximity effect (frei) ; scanning tunneling microscopy (frei) ; topological superconductivity (frei) ; topologische Supraleitung (frei) ; winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die Konstruktion der lateralen Grenzfläche zwischen einem dreidimensionalen topologischen Isolator und einem Supraleiter zur Untersuchung von Proximity-Effekten wird auf zwei Arten angegangen. Zunächst wird die Herstellung von strukturierten Proben mit Hilfe eines Ultra\-hoch\-vakuum Mask Aligners demonstriert. Der durch Piezomotoren angetriebene Mask Aligner verwendet eine Siliziumnitrid-Schattenmaske mit kapazitiven Sensoren zum Auslesen des Abstands zwischen Maske und Probe. Der Herstellungsprozess solcher Masken für den Mask Aligner wird hier etabliert. Mithilfe dieser Maske können aufeinanderfolgende Aufdampfungen durchgeführt werden, wobei zwischen den einzelnen Aufdampfungen eine horizontale Verschiebung der Probe erfolgt. Auf diese Weise wird eine supraleitende Schicht mit vordefinierten Löchern auf einem topologischen Isolator hergestellt, woraufhin die laterale Grenzfläche mit einem Rastertunnelmikroskop (STM) untersucht werden kann. Eine Demonstration für die Verwendung der Schattenmasken mit dem Mask Aligner beim Aufdampfen von Au auf Si(111) und Pb auf Si(111) zeigt scharfe Kanten mit einem Halbschatten kleiner als 100\,nm und teilweise bis zu 10\,nm, bei Abständen zwischen Maske und Probe unter $1\,\mathrm{\mu m}$ ohne direkten Kontakt dazwischen. Weiterhin wird der Einfluss von Nb auf (Bi$_x$Sb$_{1-x}$)$_2$Te$_3$ mittels winkelaufgelöster Photoemissionsspektroskopie (ARPES) und STM untersucht. Vorläufige ARPES-Messungen deuten auf eine Verschiebung der (Bi$_x$Sb$_{1-x}$)$_2$Te$_3$-Bandstruktur von 50\,meV -- 200\,meV zu niedrigeren Energien nach der Abscheidung von 0,3\,Monolagen Nb hin. Das strukturierte Nb-(Bi$_x$Sb$_{1-x}$)$_2$Te$_3$, welches mit einer schützenden Se-Schicht versehen ist, wird für STM optimiert. Die supraleitende Energielücke im Leitfähigkeits-Spektrum auf Nb verschwindet an der Grenzfläche zu (Bi$_x$Sb$_{1-x}$)$_2$Te$_3$, wobei gelegentlich eine Spitze bei Nullspannung auftritt. Eine in das Nb eingedrückte Wolframspitze erzeugt eine supraleitende Mikrospitze, die zu einem Josephson-Übergang führt, was durch einen Suprastrom-Spitze bei Nullspannung und charakteristischen Spitzen durch Andreev-Reflektionen bestätigt wird. Aussagekräftige STM-Ergebnisse stehen noch aus, da der Herstellungsprozess nicht vollständig optimiert ist. Die weitere Optimierung der Proben erfordert einen kontinuierlichen Abgleich mit STM-Charakterisierungen sowie die Erforschung von Alternativen, wie z.B. verschiedenen Schutzmaterialien.

The engineering of the lateral interface between a three-dimensional topological insulator and a superconductor for studying proximity effects is approached in two ways. Firstly, the fabrication of patterned samples using an ultrahigh-vacuum mask aligner is demonstrated. The piezomotor-driven mask aligner employs a silicon nitride shadow mask with capacitive sensors to read out the mask-sample distance. The fabrication process of such masks for the mask aligner is established. Consecutive evaporations can be made through this mask, with a horizontal sample position offset between each evaporation. This produces a superconducting layer with predefined holes on top of a topological insulator and provides access to the lateral interface via scanning tunneling microscopy (STM). Proof of principle for shadow mask evaporation using the mask aligner with evaporation of Au on Si(111) and Pb on Si(111) show sharp edges with penumbra less than 100\,nm and partly down to 10\,nm at safe mask-sample distances below $1\,\mathrm{\mu m}$ without contact between them. Secondly, the influence of Nb on (Bi$_x$Sb$_{1-x}$)$_2$Te$_3$ is probed via angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) and STM. Preliminary ARPES measurements indicate a shift in (Bi$_x$Sb$_{1-x}$)$_2$Te$_3$ bandstructure of 50\,meV -- 200\,meV toward lower energies after the deposition of 0.3\,monolayers of Nb. Patterned Nb-(Bi$_x$Sb$_{1-x}$)$_2$Te$_3$ covered with a protective Se-capping was optimized for STM. A superconducting gap in the tunneling spectrum on the Nb disappears at the interface to the (Bi$_x$Sb$_{1-x}$)$_2$Te$_3$, occasionally exhibiting a zero-bias peak. The tungsten tip indented into the Nb creates a superconducting microtip, resulting in a Josephson junction as confirmed by a supercurrent peak at zero bias and signature peaks of Andreev reflections. Conclusive STM results are impending since the fabrication process is not optimized as yet. Further pursuits for sample optimization require continuous feedback with STM characterization and exploring alternatives such as different capping materials.

OpenAccess:
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