Crescimento de materiais com alto descasamento de rede: epitaxia convencional (CdTe) e epitaxia de van der Waals (Bi2 Te3 e MnBi2 Te4)

Abstract

A epitaxia por feixe molecular (MBE) é conhecida por ser o estado da arte (regra de ouro) do crescimento epitaxial. A presente tese explora o crescimento epitaxial com alto descasamento de rede de camadas de CdTe (epitaxia convencional) e camadas de isolantes topológicos do composto BiTe e isolantes topológicos magnéticos do composto MnBi2Te4 (epitaxia de van der Waals). O CdTe é um composto binário essencial para sistemas semicondutores II-VI, uma vez que o controle preciso de seu crescimento fornece um roteiro geral para compostos de telureto, que variam de camadas opticamente ativas a semicondutores magnéticos diluídos e isolantes topológicos. Bi2Te3 e MnBi2Te4 integram uma classe de materiais quânticos topológicos e proporcionam uma oportunidade de investigar estados quânticos topológicos específicos e projetar novos dispositivos spintrônicos. Neste trabalho, foca-se em duas frentes de pesquisa: (i) crescimento de camadas epitaxiais de CdTe (epitaxia convencional), cuja finalidade foi a integração por meio da tecnologia de membranas semicondutoras, combinando-se com heteroestruturas dos grupos III-V e II-VI e substratos comerciais como o SOI (silicon-on-insulator); (ii) consolidar o crescimento de camadas epitaxiais (epitaxia de van der Waals) do isolante topológico Bi2Te3 e do isolante topológico magnético MnBiTe. Propriedades estruturais foram sondadas mediante a difração de raios-X de alta resolução, microscopia de força atômica, microscopia eletrônica de transmissão, microscopia de força atômica e espectroscopia Raman, as quais mostram que os materiais desenvolvidos aqui possuem alta qualidade cristalina. Propriedades eletrônicas, de transporte e magnéticas foram estudadas por meio de medidas de microscopia e espectroscopia de tunelamento por varredura, magnetotransporte e magnetização a fim de garantir as propriedades de isolante topológico e isolante topológico magnético. Palavras-chave: CdTe; MnBi2Te4; Bi2Te3 ; epitaxia convencional; epitaxia de van der waals; membranas flexíveis; isolantes topológicos; heteroestruturas

Molecular beam epitaxy (MBE) is known as the state-of-the-art (gold standard) of epitaxial growth. The present thesis explores the epitaxial growth with high lattice mismatch of CdTe layers (conventional epitaxy) and layers of topological insulators of the Bi2Te3 compound as well as magnetic topological insulators of the MnBi2Te4 compound (van der Waals epitaxy). CdTe is a binary compound essential for II–VI semiconductor systems, since precise control of its growth provides a general roadmap for telluride compounds, ranging from optically active layers to diluted magnetic semiconductors and topological insulators. BiTe and MnBi2Te4 belong to a class of quantum topological materials and offer an opportunity to investigate specific topological quantum states and design new spintronic devices. In this work, two research fronts are addressed: (i) growth of epitaxial CdTe layers (conventional epitaxy), aimed at integration through semiconductor membrane technology, combined with III–V and II–VI heterostructures and commercial substrates such as SOI (silicon-on-insulator); (ii) consolidation of the growth of epitaxial layers (van der Waals epitaxy) of the topological insulator Bi2Te3 and the magnetic topological insulator MnBi2Te4. Structural properties were probed by high-resolution X-ray diffraction, atomic force microscopy, transmission electron microscopy, and Raman spectroscopy, which demonstrate that the materials developed here possess high crystalline quality. Electronic, transport, and magnetic properties were investigated by scanning tunneling microscopy and spectroscopy, magnetotransport, and magnetization measurements in order to ensure the characteristics of topological and magnetic topological insulators. Keywords: CdTe; MnBi2Te4; Bi2Te3 ; conventional epitaxy; van der Waals epitaxy; flexible membranes; topological insulators; heterostructures