Fabrication and characterization of single interfaces of Niobium and selectively molecular beam epitaxy grown $\mathrm{(Bi_{1-x}Sb_{x})_2Te_3}$ nanoribbons

Janßen, Kevin; Schäpers, Thomas; Morgenstern, Markus

doi:43237

Fabrication and characterization of single interfaces of Niobium and selectively molecular beam epitaxy grown $\mathrm{(Bi_{1-x}Sb_{x})_2Te_3}$ nanoribbons

Janßen, Kevin^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Kevin Janßen Master of Science RWTH Aachen University

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schäpers, Thomas (Thesis advisor)^RWTH* ; Morgenstern, Markus (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-02-22

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-04651
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/985491/files/985491.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
interface characterization (frei) ; magnetotransport (frei) ; molecular beam epitaxy (frei) ; superconductivity (frei) ; topological insulator (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
In dieser Arbeit wurde eine umfassende differenzielle Leitfähigkeitsanalyse von in-situ und ex-situ hergestellten Einzelmaterialübergängen bestehend aus Niob und (Bi1-xSbx)2Te3 Bändern durchgeführt. Die (Bi1-xSbx)2Te3 Bänder wurden mittels selektivem Wachstum durch Molekularstrahlepitaxie hergestellt und wiesen Breiten von 100 nm - 300 nm auf. Für die Herstellung der in-situ Einzelmaterialübergänge ist ein neuer Fabrikationsprozess entwickelt worden, welcher gleichzeitig eine Schattenmaskenabscheidung, sowie selektives molekularstrahlepitaktisches Wachstum beinhaltet. Die resultierenden Materialübergänge weisen eine hohe Transparenz auf, welche sich durch ein Maximum in der differenziellen Leitfähigkeit ohne angelegte Vorspannung auszeichnet. Die Höhe des Maximums beträgt das 1.7-fache der Leitfähigkeit im Normalzustand und kann auf einen hohen Anteil an Andreev Reflexion am Materialübergang zurückgeführt werden. Die Spektren wurden mit dem Blonder-Tinkham-Klapwijk Model und einer Dichtefunktionaltheorie verglichen. Des weiteren wurde die Temperatur-, senkrechte Magnetfeld-, und Gatespannungsabhängigkeit der differenziellen Leitfähigkeit untersucht, um ein umfassendes Verständnis der physikalischen Gegebenheiten am Materialübergang zu erhalten. Ebenfalls wurde die differenzielle Leitfähigkeit des (Bi1-xSbx)2Te3 Bandes analysiert. Die ex-situ herstellten Materialübergänge wurden mittels eines konventionellen Lift-off Verfahrens hergestellt. Dabei wurde das Niob einmal mit und einmal ohne vorangegangenes Argon-Ionenätzen abgeschieden. Die differenzielle Leitfähigkeit der Materialübergänge wurde für verschiedene Temperaturen und senkrechte Magnetfeldstärken untersucht. Das Leitfähigkeitsmaximum ohne angelegte Vorspannung und die scharfen Leitfähigkeitsabfälle bei bestimmten Spannungen können mit dem kritischen Strom und der atomaren Unordnung in der Region des Materialüberganges in Verbindung gebracht werden. Sie sind dabei allerdings nicht auf einen hohen Anteil an Andreev Reflexion am Materialübergang zurückzuführen.

In the scope of this thesis a comprehensive differential conductance analysis of in-situ and ex-situ fabricated single interfaces of niobium and selective-area molecular beam epitaxy grown (Bi1-xSbx)2Te3 ribbons with widths ranging from 100 nm - 300 nm has been carried out. For the in-situ single interfaces a new fabrication process has been developed which utilizes shadow mask evaporation and selective-area molecular beam epitaxy. The resulting interfaces show a high transparency which leads to a zero bias conductance increase of 1.7 compared to the normal state conductance, originating from a large contribution of Andreev reflection at the interface. The spectra have been compared with the Blonder-Tinkham-Klapwijk model and a density functional theory analysis. Furthermore, the temperature, perpendicular magnetic field, and top gate dependence of the differential conductance spectrum has been investigated in order to achieve a comprehensive overview of the interface physics. In addition to that, the differential conductance of the (Bi1-xSbx)2Te3 ribbon itself has been analyzed. The ex-situ interfaces have been fabricated by a conventional lift-off procedure with and without argon-milling before the niobium deposition. The differential conductance has been investigated for different temperatures and perpendicular magnetic fields. The resulting zero bias conductance peak and sharp conductance dips in the spectrum can be related to the critical current in the disordered interface region and do not originate from a high contribution of Andreev reflection at the interface.

OpenAccess:
PDF
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