MBE-Anlage zur Herstellung von II-VI narrow-gap Halbleitern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Schwerpunkt der aktuellen Forschungsprojekte zielt auf die Herstellung topologischer Isolatoren (TI) und (magnetischer) II-VI-Verbindungshalbleiter. Dabei soll etwa die hohe Spin-Bahn-Kopplung in narrowgap-II-VI-Verbindungen sowie die topologischen Rand- und Oberflächenzustände zur Spin-Manipulation eingesetzt werden. Die Grundlage bildet dabei die Herstellung hochbeweglicher 2D Ladungsträgersysteme sowie 3D TI auf Basis von HgTe und deren Nanostrukturierung sowie Transportcharakterisierung. Dabei werden mehrere Wege beschritten: 1. die lithographische Strukturierung von QW Strukturen und Erzeugung von Hybridstrukturen mittels Ferromagneten und Supraleitern, 2. die Ausnutzung von Verspannung in den gewachsenen Schichten zu Beeinflussung der Bandstruktur und 3. das selbstorganisierte Wachstum von CdTe/HgTe core/shell Nanodrähten mittels der vapor-liquid-solid (VLS) Methode. Zur Umsetzung der o.g. Ziele ist die Entwicklung eines entsprechenden Wachstumsprozesses zur Herstellung von 2DEGs und Bulk-Schichten mit sehr hoher Elektronenbeweglichkeit eine wesentliche Voraussetzung. Durch die besondere Anordnung der Pumpen und der Effusionszellen sowie den grundlegend überarbeiteten Substratheizer können im neu beschafften MBE-System seither standardmäßig hochbewegliche 2DEGs und Bulk-Schichten bis zu 106 cm2(Vs)-1 hergestellt werden [PRL 076802]. Neben der sehr erfolgreichen Untersuchung von TI konnten in Proben mit solch hoher Elektronenbeweglichkeit viele weitere neue Effekte beobachtet werden, wie der Spin-Hall- und Quanten-Spin-Hall-Effekt sowie der Dirac-Quanten-Hall-Effekt. In der wide-gap-II-VI Epitaxie-Kammer werden Resonante Tunneldioden im Hinblick auf Alternativen zum 2D Quantentrog und effizienzangepaßte Barriereschichten weiterentwickelt. Weitere Anstrengungen richten sich auf das Wachstum eindimensionaler Nanodrahtstrukturen mittels der bereits oben beschriebenen VLS- Methode. Ein wesentlicher Anwendungsbereich der wide-gap-Kammer ist auch die Entwicklung von CdTe Substraten für die narrow-gap-Epitaxie, da das zurzeit auf dem Weltmarkt zu Verfügung stehende Substratmaterial den hohen Ansprüchen der Schichtstrukturen nicht genügt sowie nicht in ausreichender Dimension erhältlich ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Evidence for the ballistic intrinsic spin Hall effect in HgTe nanostructures. Nature Physics; 6(6); 448-454; 2010
Brune, C; Roth, A; Novik, EG; Konig, M; Buhmann, H; Hankiewicz, EM; Hanke, W; Sinova, J; Molenkamp, LW
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Semimagnetic II-VI semiconductor resonant tunneling diodes characterized by high-resolution X-ray diffraction. Journal Of Crystal Growth; 312(7); 1036-1039; 2010
Frey, A; Ruth, M; Dengel, RG; Schumacher, C; Gould, C; Schmidt, G; Brunner, K; Molenkamp, LW
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Backscattering of Dirac Fermions in HgTe Quantum Wells with a Finite Gap. Physical Review Letters; 106(7); 076802; 2011
Tkachov, G; Thienel, C; Pinneker, V; Buttner, B; Brune, C; Buhmann, H; Molenkamp, LW; Hankiewicz, EM
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Giant Magneto-Optical Faraday Effect in HgTe Thin Films in the Terahertz Spectral Range. Physical Review Letters; 106(10); 107404; 2011
Shuvaev, AM; Astakhov, GV; Pimenov, A; Brune, C; Buhmann, H; Molenkamp, LW
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Quantum Hall Effect from the Topological Surface States of 2011 Strained Bulk HgTe. Physical Review Letters; 106(12); 126803; 2011
Bruene, C.; Liu, C. X.; Novik, E. G.; Hankiewicz, E. M.; Buhmann, H.; Chen, Y. L.; Qi, X. L.; Shen, Z. X.; Zhang, S. C.; Molenkamp, L. W.
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Single valley Dirac fermions in zero-gap HgTe quantum wells. Nature Physics; 7(5); 418; 2011
Buettner, B.; Liu, C. X.; Tkachov, G.; Novik, E. G.; Bruene, C.; Buhmann, H.; Hankiewicz, E. M.; Recher, P.; Trauzettel, B.; Zhang, S. C.; Molenkamp, L. W.
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Surface State Charge Dynamics of a High-Mobility Three-Dimensional Topological Insulator. Physical Review Letters; 107(13); 136803; 2011
Hancock, JN; van Mechelen, JLM; Kuzmenko, AB; van der Marel, D; Brune, C; Novik, EG; Astakhov, GV; Buhmann, H; Molenkamp, LW
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Zero field spin polarization in a two-dimensional paramagnetic resonant tunneling diode. Physical Review B; 83(15); 155408; 2011
Rueth, M.; Gould, C.; Molenkamp, L. W.
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Spin polarization of the quantum spin Hall edge states. Nature Physics; 8(6); 485; 2012
Bruene, C; Roth, A; Buhmann, H; Hankiewicz, EM; Molenkamp, LW; Maciejko, J; Qi, XL; Zhang, SC
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Imaging currents in HgTe quantum wells in the quantum spin Hall regime. Nature Materials; 12(9); 787; 2013
Nowack, KC; Spanton, EM; Baenninger, M; Konig, M; Kirtley, JR; Kalisky, B; Ames, C; Leubner, P; Brune, C; Buhmann, H; Molenkamp, LW; Goldhaber-Gordon, D; Moler, KA
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Spatially Resolved Study of Backscattering in the Quantum Spin Hall State. Physical Review X; 3(2); 021003; 2013
Konig, M; Baenninger, M; Garcia, AGF; Harjee, N; Pruitt, BL; Ames, C; Leubner, P; Brune, C; Buhmann, H; Molenkamp, LW; Goldhaber-Gordon, D
