Проведено экспериментальное исследование низкотемпературных транспортных свойств сверхпроводящих плёнок нитрида титана (толщиной ≤ 5 нм), находящихся в окрестности перехода сверхпроводник-изолятор. Показано, что вольтамперные характеристики являются зеркально симметричными в сверхпроводящем и диэлектрическом состоянии. Продемонстрировано переключение типа вольтамперных характеристик с помощью внешнего магнитного поля. В обоих состояниях (сверхпроводящем и диэлектрическом) низкотемпературные вольтамперные зависимости имеют выраженный диодный пороговый характер, демонстрируя скачок в напряжении/токе на несколько порядков при соответствующем критическом токе или пороговом напряжении. Показано, что теория, развитая для массивов джозефсоновских переходов не только качественно, но и количественно прекрасно описывает экспериментальные данные в обоих состояниях (сверхпроводящем и диэлектрическом).

Рис. (a) планарное и (b) поперечное сечение ВРЭМ изображения плёнки TiN. (c) СЭМ изображение исследуемого образца (чёрные области – плёнка TiN). Числами обозначены номера контактов. Расстояние между контактами 2-5 составляет 450 мкм, ширина образца - 50 мкм. (d) Температурные зависимости сопротивления, приведённые на квадрат, в нулевом магнитном поле для исходной плёнки (сплошная линия) и после окисления на воздухе при T=300C при B=0 Тл и B=0.5 Тл. (e) Характерные дуальные вольтамперные зависимости в двойном логарифмическом масштабе окисленной плёнки в магнитных полях B=0 Тл и B=0.5 Тл при температурах T= 50, 150 и 350 мK, демонстрирующие три основных типа поведения: (1) омическое – ток пропорционален напряжению при относительно высокой температуре (зависимости при 350 мK); (2) линейное при малом токе/напряжении, сменяющийся нелинейным при увеличении тока/напряжения (150 мK); (3) пороговое поведение (50 мK).

Работа открывает новые перспективы для применения TiN в электронике, основанные специфических свойствах данного материала. В зависимости от толщины и степени окисления плёнки TiN могут быть металлическими, сверхпроводящими или диэлектрическими. Это позволяет конструировать электрические схемы, в которых все элементы по сути являются одним и тем же материалом. Кроме того, пороговое поведение вольтамперных зависимостей и огромная величина и острота прыжка в токе/напряжении дают возможность использования плёнок TiN в качестве сенсоров и детекторов с беспрецедентно большой чувствительностью и отношением сигнал/шум. Дуальный характер пороговых диодных вольтамперных характеристик открывает возможности применения плёнок TiN в качестве элементов логики, которые переключаются между двумя практически бездиссипативными состояниями.

Изучены эффекты упругих деформаций растяжения и сжатия в процессах оптического поглощения поляризованного инфракрасного излучения в гетероструктурах с квантовыми ямами (КЯ) SiGe p-типа. Образцы выращивались методом молекулярно-лучевой эпитаксии на подложках Si(001) и представляли собой семь псевдоморфных КЯ Si_1-хGe_х (х=0.35) шириной 3 нм, разделенных слоями Si толщиной 20 нм. Каждый из барьеров Si содержал дельта-легированый бором слой для заселения первой подзоны тяжелых дырок в КЯ носителями заряда. Измерение спектров пропускания света и их поляризационных зависимостей проводилось в многопроходной волноводной геометрии с использованием низкочастотной модуляции заполнения КЯ дырками потенциалом на полевом электроде.

Рис. Спектры модулированного пропускания излучения, поляризованного (а) в плоскости квантовых ям (ТЕ поляризация) и (б) вдоль оси роста (ТМ поляризация) в исходной гетероструктуре, а также после приложения деформаций сжатия или растяжения. Данные приведены для величины изгиба пластины 200 мкм. (в) Зависимость интегрального поглощения излучения с ТМ и ТЕ-поляризацией от величины изгиба пластины Si, на которой выращена гетероструктура с квантовыми ямами SiGe.

В исходном состоянии квантовые ямы сжаты в плоскости гетероструктуры вследствие рассогласования параметров решетки Si и SiGe. Внешние деформации одноосного сжатия или растяжения были реализованы в эксперименте путем механического изгиба пластин Si с выращенной на одной из сторон гетероструктурой Si/SiGe. При таком подходе, квантовые ямы, расположенные на вогнутой стороне пластины, сжимаются в плоскости структуры, на выпуклой – растягиваются. Максимальная величина деформации, которую удавалось достичь данным методом до механического разрушения пластин, составляла 0.2%.

В результате теоретического анализа энергетической диаграммы исследуемых гетероструктур, выполненного в рамках 6-зонного kp-метода, установлено, что наблюдаемое в области энергий 100–400 мэВ поглощение излучения, поляризованного в плоскости квантовых ям (ТЕ поляризация), обусловлено переходами дырок из первой подзоны тяжелых дырок КЯ SiGe в сплошной спектр над барьером Si. Для вертикальной (ТМ) поляризации доминирующей является полоса поглощения с максимумом при 150 мэВ, связанная с переходами между первыми двумя дырочными подзонами размерного квантования. Обнаружено, что интенсивность переходов под действием излучения ТЕ-поляризации практически не зависит от наличия упругих деформаций в среде, в то время как для ТМ-поляризованного излучения наблюдается уменьшение коэффициента поглощения при сжатии гетероструктуры и его рост при растяжении (рис.). Полученные результаты объяснены перераспределением носителей заряда между подзонами легких и тяжелых дырок, вызванным изменением взаимного расположения дырочных подзон вследствие механических напряжений в среде. При максимальных деформациях растяжения происходит формирование основного состояния системы в зоне легких дырок, сопровождающееся увеличением коэффициента межподзонного поглощения света.

Методом in situ сверхвысоковакуумной отражательной электронной микроскопии (СВВ ОЭМ) исследован процесс роста Si на Si(111)-(7×7) в диапазоне температур 600--830°C. Предварительно на поверхности Si была сформирована система эшелонов ступеней, разделённых широкими террасами с размерами W_in~1.8-10мкм. Рост Si на широких террасах сопровождается формированием пирамидальных структур, состоящих из двумерных слоёв, растущих за счёт движения зигзагообразных моноатомных ступеней при доминирующем встраивании адатомов в нисходящие ступени [Рис. 1]. Когда ширина наивысшего слоя достигает критического значения λ, на нём происходит зарождение двумерных островков. При Т>720°C моноатомные ступени становятся гладкими.

Рис. 1. Топографическое АСМ- изображение пирамидальной структуры, сформированной при Т=650°C.

Рис. 2. Зависимости λ2(T, R) при фиксированных (a) T и (b) R.

В экспериментах измерялась зависимость λ от температуры подложки T и скорости осаждения Si R. Все зависимости λ² (R)~R^χ при W_in>2 мкм, вплоть до Т=720°C, характеризуются χ>1 и соответствуют кинетике роста, лимитированной встраиванием адатомов в ступени (AL) [Рис. 2 a]. Однако, при W_in=1,8 мкм зависимость λ²(R) изменятся (χ<1) от характерной для AL-кинетики и становится соответствующей диффузионному режиму (DL). Это противоречие, возникающее при малой W_in, обусловлено проявлением стока адатомов в удаленные ступени эшелона, так называем явлением прозрачности ступеней, которое нами впервые зафиксировано экспериментально.

Показано, что при достижении T≈720°C резко изменяется активационная зависимость λ²(T), что свидетельствует о смене кинетики роста с AL при Т<720°C (E_2D=2,4 эВ) на DL при Т>720°C (E_2D=0,5 эВ) [Рис. 2 (б)]. На основе полученных данных и современных теоретических представлений процесса роста проведена оценка величины барьера Швёбеля E-_ES=0,9 эВ и размера критического зародыша i, который увеличивается от i=6-7 атомов при Т=650°C до 7-10 атомов при Т=700°C. Тот факт, что рост Si в AL-режиме сопровождается образованием двумерных островков с треугольной огранкой и движением зигзагообразных моноатомных ступеней однозначно указывает на то, что встраивание адатомов в ступень при Т<720°C лимитируется образованием двойного кинка на прямолинейных участках с ориентацией типа который в условиях (7×7) реконструкции имеет размер сверхструктурной полуячейки.

Проведено экспериментальное и теоретическое исследование перехода двумерный топологический изолятор-двумерный металл в HgTe квантовых ямах с инвертированным спектром. В отсутствие магнитного поля в экспериментальных образцах наблюдается локальный и нелокальный транспортный отклик, вызванный переносом заряда вдоль краевых токовых состояний. При приложении продольного магнитного поля обнаружено монотонное уменьшение локального сопротивления до некоторого конечного значения и практически полное подавление нелокального сопротивления (Рис.).

Рис. Зависимость локального R_xx (а) и нелокального R_NL (б) сопротивления двумерного топологического изолятора в HgTe квантовой яме толщиной 8 нм в диапазоне температур Т = 1.5 К - 4.2 К.

Показано, что подобное поведение связано с фазовым переходом двумерный топологический изолятор-двумерный металл, индуцированный продольным магнитным полем. Построена теория данного явления в соответствии с которой переход возникает в результате действия продольного магнитного поля на объемную щель топологического изолятора. Это воздействие трансформирует двумерный изолятор в обладающую металлическими свойствами двумерную бесщелевую дираковскую систему.