[論文レビュー] Self-regulated growth of candidate topological superconducting parkerite by molecular beam epitaxy

Jason Lapano, Yun‐Yi Pai+18 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 84被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、Pd:Biフラックス比と温度制御によって揮発性のBi–Se種が生成するメカニズムにより、SrTiO3基板上に高品質なPd3Bi2Se2薄膜の自己調整的分子線エpitaxy成長を実証した。薄膜は800 mKの超伝導転移温度と17.7 ± 0.5 mTの臨界磁場を示し、エピタキシャル chalcogenide 異質構造におけるトポロジカル超伝導の探索への道筋を確立した。

ABSTRACT

Ternary chalcogenides such as the parkerites and shandites are a broad class of materials exhibiting rich diversity of transport and magnetic behavior as well as an array of topological phases including Weyl and Dirac nodes. However, they remain largely unexplored as high-quality epitaxial thin films. Here, we report the self-regulated growth of thin films of the strong spin-orbit coupled superconductor Pd3Bi2Se2 on SrTiO3 by molecular beam epitaxy. Films are found to grow in a self-regulated fashion, where, in excess Se, the temperature and relative flux ratio of Pd to Bi controls the formation of Pd3Bi2Se2 due to the combined volatility of Bi, Se, and Bi-Se bonded phases. The resulting films are shown to be of high structural quality, the stoichiometry is independent of the Pd:Bi and Se flux ratio and exhibit a superconducting transition temperature of 800 mK and critical field of 17.7 +/- 0.5 mT, as probed by transport as well as magnetometry. Understanding and navigating the growth of the chemically and structurally diverse classes of ternary chalcogenides opens a vast space for discovering new phenomena as well as enabling new applications.

研究の動機と目的

• 分子線エpitaxyを用いて、候補トポロジカル超伝導体であるPd3Bi2Se2の高品質エピタキシャル成長を達成すること。
• 競合する揮発性相を示す複雑な三元系 chalcogenide の成長を理解し、制御すること。
• 過剰なセレン条件下で、ストイキオメトリと薄膜品質が自己調整的であることを実証すること。
• 一貫した超伝導特性を示すPd3Bi2Se2の再現性のある成長窓を確立すること。
• 今後のトポロジカル超伝導および量子異質構造の研究を可能にするための基盤を築くこと。

提案手法

• Pd3Bi2Se2薄膜は、SrTiO3 (110) 基板上に分子線エpitaxy (MBE) を用いて成長させた。
• 過剰なSe条件下で、Pd:Biフラックス比と温度を変化させることで成長パラメータを最適化した。
• 自己調整は、Bi、SeおよびBi–Se結合相の揮発性に起因し、Pd3Bi2Se2の形成を安定化させる。
• 構造的品質は、反射高エネルギー電子線回折 (RHEED) および原子間力顕微鏡により確認した。
• 輸送および磁化測定により、超伝導転移温度 (Tc) および臨界磁場 (Hc2) を定量した。
• 第一原理DFT計算を用いて、表面エネルギーおよび化学ポテンシャルの安定性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三元系 chalcogenide の複雑な相空間にもかかわらず、高品質なエピタキシャルPd3Bi2Se2薄膜をどのように成長させられるか？
• RQ2 過剰なSe条件下で、揮発性のBi–Se種がPd3Bi2Se2の成長を自己調整的に制御する役割を果たすメカニズムは何か？
• RQ3 MBE成長において、Pd:Biフラックス比に依存せずにストイキオメトリと薄膜品質を維持できるか？
• RQ4 得られたPd3Bi2Se2薄膜の超伝導特性は何か？ また、バルク材料と比較してどう異なるか？
• RQ5 表面エネルギーおよび化学ポテンシャルは、Pd3Bi2Se2相の安定性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• Pd3Bi2Se2薄膜は、平坦で完全に接続された結晶粒とストライプ状のRHEEDパターンを示し、高い構造的品質を示した。
• 輸送および磁化測定により、800 mKの超伝導転移温度が確認された。
• 臨界磁場は17.7 ± 0.5 mTとして測定され、安定な超伝導状態であることが示された。
• Pd:Biフラックス比の変化に関わらずストイキオメトリが一定であったため、揮発性種による自己調整が成立していることが示された。
• ホール的（2–4×10²² cm⁻³、約100 cm²V⁻¹s⁻¹）および電子的（1–3×10¹⁹ cm⁻³、約1000 cm²V⁻¹s⁻¹）キャリアを含む二バンドモデルによりホール効果データが良好にフィットした。
• 第一原理計算により、成長条件下でPd3Bi2Se2表面の熱力学的安定性が確認され、化学ポテンシャルが安定な範囲に制約されていることが示された。