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Molecular beam epitaxy of magnetic topological insulators and their integration into superconducting hybrid devices
2024 & 2025
Dissertation, RWTH Aachen University, 2024
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-12-12
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-12113
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/999456/files/999456.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
magnetic topological insulators (frei) ; molecular beam epitaxy (frei) ; scanning tunneling microscopy (frei) ; stencil lithography (frei) ; superconductivity (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
Kurzfassung
Unter den verschiedenen Materialplattformen für Quantencomputing (QC) ist das noch junge topologische QC eine der vielversprechendsten Routen in eine Zeit nach dem Mooreschen Gesetz. Es verspricht fehlertolerantes QC mittels der exotischen Majorana Null Moden (MZM), die die Grundlage des topologischen QC-Qubits bilden. Ihr intrinsischer Schutz gegen Relaxation und Verlust der Phasenkohärenz unterscheidet sie von anderen Qubit-Ansätzen, wie supraleitende oder Spin-Qubits. Für Nanodrähte aus 3D-Hybridstrukturen aus topologischem Isolator (TI) und Supraleiter (SC) wird vorausgesagt, dass je eine Mode eines MZM-Paares an den Enden des Drahtes entstehen soll. Die eindimensionale Begrenzung des TIs führt jedoch zu einem Verlust seiner topologischen Phase, die für die Realisierung der MZMs erforderlich sind. Eine Alternative, die dieses Problem umgehen kann, sind magnetische topologische Isolatoren (MTI), bei denen magnetische Dotierstoffe in den TI selbst eingefügt werden. Diese Doktorarbeit konzentriert sich auf das Wachstum magnetischer TIs mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE), zeigt, wie komplexe MTI-SC-Hybrid-Bauelemente in situ hergestellt werden können, und veranschaulicht die Schwierigkeiten, die auftreten, wenn MTIs mit SC kombiniert werden. Zunächst wird der 3D-TI (BiSb)2Te3 als Grundlage mittels MBE gewachsen und optimiert, um so niedrige Ladungsträgerdichten und hohe Mobilitäten in den Filmen zu erreichen. Durch die Zufuhr von Cr während des optimierten Wachstums werden qualitativ hochwertige, magnetisch dotierte Schichten abgeschieden. Die ersten Filme weisen einen anomalen Hall-Effekt auf, der auf eine homogene Magnetisierung des Films hindeutet. In Mn-dotierten Filmen, die parallel untersucht werden, ist diese Homogenität schwieriger zu erreichen, was letztlich zu einer Fokussierung auf die zuverlässigeren Cr-dotierten MTI-Filme führt. Durch das Einführen eines drei-lagigen Films und einer Reduktion der Filmdicke auf <8 nm wird eine Quantisierung des Hall-Widerstands beobachtet, was auf einen Übergang zu einem anomalen Quanten-Hall-Isolator hindeutet. Um die Wechselwirkung zwischen MTI und SC zu untersuchen, werden Josephson-Kontakte (JJ) mit einem in unserer Gruppe etablierten Vakuum-Lithografie-Verfahren hergestellt. Messungen zeigen keinen Suprastrom über den Josephson Kontakt, sondern ein Verhalten, das auf niedrige Transparenz an der MTI-SC-Grenzfläche hinweist. Um ex situ Verunreinigungen auszuschließen und einen Zusammenhang zwischen Transparenz und Stärke der Magnetisierung zu finden, wird ein neues Design entwickelt, das vollständige in situ Fabrikation und Hall- und JJ-Messungen in einem einzigen Bauelement ermöglicht. Zwar bleibt die niedrige Transparenz bestehen, es zeigen sich in diesen Bauelementen jedoch Signaturen induzierter Supraleitung bei niedriger Cr-Dotierung. Um das Zusammenspiel von Topologie, Magnetismus und Supraleitung auf atomarer Skala weiter zu untersuchen, wird im letzten Kapitel ein neuartiges, vollständig in situ verlaufendes, Verfahren entwickelt, welches eine entfernbare, großflächige Vakuum-Lithografie-Maske (LUL) nutzt. Mit LUL können (M)TI- und SC-Schichten selektiv in situ gewachsen und mit nm-Präzision zueinander ausgerichtet werden. Durch Hitze entfernbare Schichten aus Tellur und Selen werden auf ihre Anwendbarkeit als Schutzschicht für die funktionalen Oberflächen untersucht. Durch Exfolieren der Maskenschicht werden Proben erzeugt, die für Untersuchungen in Rastertunnelmikroskopen (STM) geeignet sind. Nach dem Entfernen der Schutzschichten wird im STM eine atomare Auflösung erreicht. Tunnelspektren der SC- und der magnetischen Bandlücke und der TI-Oberfläche können gemessen werden und zeigen ein kurzreichweitiges SC-Bandlückenprofil auf dem TI. Im Laufe dieser Arbeit wurden somit neue Materialsysteme in unserem Institut etabliert und neuartige UHV-Lithografiemethoden für die Kombination von (M)TIs und SCs vorstellt, die den Weg für die Kreation und Entdeckung von MZMs in hybriden Bauelementen ebnen. Zu guter Letzt wird durch die Etablierung von LUL ein innovatives Verfahren für die in situ Fabrikation von Strukturen und Bauelementen aus Kombinationen beliebiger Quantenmaterialien bereitgestellt, welches Messungen in einer Weise ermöglicht, wie sie im STM bisher nicht in situ möglich waren.Among the few approaches towards quantum computing (QC) as the future of computing in a post-Moore’s-law time, the recent push for topological QC is one of the most auspicious. It promises fault tolerant QC by employing exotic Majorana zero mode (MZM) quasiparticle states, which build the basis of the topological QC qubit. Intrinsic protection against relaxation and dephasing distinguishes those elusive qubits from other platforms, like superconducting and spin qubits. Nanowires of 3D topological insulator (TI) – superconductor (SC) hybrid structures are predicted to exhibit MZM at each end of the wire. The one-dimensional confinement however leads to a loss of the topological phase needed to realize the MZMs. An alternative capable of avoiding this problem has gotten much traction lately, which are magnetic topological insulators (MTI), which incorporate magnetic dopants into the TI itself. This thesis focuses on the growth of magnetic TIs via molecular beam epitaxy (MBE) from established recipes for non-magnetic TIs. It will show how complex MTI-SC hybrid devices can be fabricated in situ and will illustrate the difficulties that arise when trying to combine MTIs with SC. First, the growth of 3D TI (BiSb)2Te3 via MBE is optimized to reach a low level of charge carrier density and a high mobility, signifying an appropriate host material for the magnetic dopants. By supplying Cr during thin film growth, high quality magnetically doped films are deposited. First films exhibit an anomalous Hall effect, indicating homogeneous and strong magnetism. In similar Mn-doped films, investigated in parallel, the magnetization is found to less homogeneous, ultimately leading to an focusing onto the more reliable Cr doped MTI films. By creating a trilayer film of CBST and thinning it down to <8 nm a quantization in the Hall resistance is observed, signaling a transition into a quantum anomalous Hall insulator. To investigate the interaction of the MTI and SC, Josephson junction (JJ) devices are created via a stencil lithography process established in our group. The JJ devices show no supercurrent over the junctions, but rather indications for a barrier at the MTI-SC interface due to bad interface transparency between MTI and SC. To rule out ex situ contaminations and to relate the barrier height to the magnetization, a new device layout is developed. It allows for full in situ deposition and enables Hall and JJ measurements in one device. While the low transparency issue persists, indications of induced superconductivity are found when decreasing the magnetic doping in these devices. To further investigate the interplay of topology, magnetism and superconductivity on atomic scales, a novel process is developed in the last chapter: a fully in situ process utilizing removable large-scale ultra-high vacuum lithography (LUL). With LUL, (M)TI and SC films can be grown selectively in situ and aligned to each other with nm precision. Soft cappings of Tellurium or Selenium are investigated to protect the functional surfaces. By exfoliating the stencil mask layer, samples suitable for investigations in scanning tunneling microscopes (STM) are created. In STM, atomic resolution is achieved after capping removal. Tunneling spectra of the SC gap, the TI surface and the magnetic gap are obtained after successful mask and capping removal, showing a short-ranged SC gap profile on the TI. In conclusion, this thesis establishes multiple new material systems in our institute, showcases novel UHV lithography methods for the combination of (M)TIs and SCs, paving the way for the creation of MZMs in hybrid devices, and lastly, by utilizing LUL, provides an innovative process for creating structures and devices of combinations of arbitrary quantum materials in situ that enables measurements in ways unprecedented in STM.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT030921325
Interne Identnummern
RWTH-2024-12113
Datensatz-ID: 999456
Beteiligte Länder
Germany
