ИСТИНА

Проект посвящен выявлению механизмов формирования интерфейсных электронных состояний (ИЭС) в гибридных полупроводниковых наноструктурах на основе трехмерных (3D) топологических изоляторов (ТИ), а также анализу роли этих состояний в магнитных и транспортных свойствах указанных наноструктур. Речь идет главным образом о слоистых структурах, компонентами которых являются тонкие (несколько нанометров) слои объемных немагнитных полупроводников, принадлежащих к классу 3D ТИ, с узкой (менее 0.5эв) запрещенной зоной. В частности, имеются в виду соединения IV-VI групп (SnTe), V-VI групп (Bi2Se3, Bi2Te3) и III-V-VI групп (TlSbTe2, TlBiTe2) Периодической таблицы элементов. Эти слои разделены между собой прослойками (подложками) 3D нормальных изоляторов (НИ), представляющими собой, как правило, сравнительно толстые (десятки нанометров) слои немагнитных (Si, GaAs, InP, ZnSe, SiO2) или магнитных (MnSe, EuS, GdN, Y3Fe5O12) полупроводников с широкой (более 1эв) запрещенной зоной. В силу различия технологий получения ТИ и НИ слоев, кристаллических решеток, энергий электронного сродства и несовершенства ТИ/НИ контакта, в его окрестности возникает интерфейсный потенциал, отличный от объемных потенциалов ТИ и НИ компонент. Этот потенциал приводит как к классическому перераспределению зарядовой плотности носителей по обе стороны от интерфейса, так и к квантовым эффектам - изгибу зон, гибридизации электронных состояний и т.д. Более того, вблизи интерфейса возникают принципиально новые электронные состояния, т.е. ИЭС, не существующие в объемных ТИ и НИ материалах. Формирование ИЭС на контактах ТИ и НИ слоев генетически обусловлено как особенностями электронного спектра объемных компонент наноструктуры, так и формой и величиной интерфейсного потенциала. Таким образом, структурной единицей исследуемой системы можно считать тройной слой НИ/ТИ/НИ, в котором ИЭС соседних контактов в достаточной мере гибридизованы и образуют единую систему состояний внутри ТИ. До настоящего времени изучению ИЭС в гибридных структурах на основе 3D ТИ уделялось, по разным причинам, не слишком много внимания, а все исследования концентрировались главным образом вокруг проблемы генезиса и особенностей поверхностных («киральных») электронных состояний в 3D ТИ. Между тем, как показывают многочисленные экспериментальные факты (к сожалению, взятые лишь из зарубежных публикаций), ИЭС в решающей степени определяют характеристики магнитных и транспортных свойства систем, содержащих ТИ/НИ интерфейсы. Нетривиальные особенности таких систем ярко проявляются в наблюдаемых или предсказываемых уникальных квантовых явлениях (например, топологический фазовый переход, квантовый спиновый эффект Холла, квантовый аномальный эффект Холла, квантовый магнитоэлектрический эффект и.т.д.). На основе разработанного ранее подхода (проект РФФИ 13-02-00016) в настоящем проекте будет построена аналитическая модель формирования ИЭС в гибридных наноструктурах типа ТИ/НИ различных типов, как немагнитных, так и магнитных. Также будет проведен расчет электронной зонной структуры этих систем методом функционала плотности, проанализировано поведение их магнитных и транспортных характеристик в зависимости от объемных параметров ТИ и НИ материалов, типа интерфейсного потенциала и толщины ТИ слоя. Будет выполнено детальное сравнение результатов аналитических и численных расчетов с имеющимися в мировой литературе экспериментальными данными.

Глобальной целью настоящего проекта является разработка теории гибридных полупроводниковых наноструктур на основе топологических изоляторов для эффективного спинового транспорта. Частными целями проекта являются рекомендации по оптимизации состава, геометрии и технологии изготовления таких наноструктур. Фундаментальная научная задача, на решение которой направлен проект, является выявление механизмов формирования интерфейсных состояний и их роли в магнитных и транспортных свойствах гибридных полупроводниковых наноструктур на основе топологических изоляторов.