Квантовый размерный эффект и осцилляции Шубникова–де Гааза в поперечном магнитном поле в полупроводниковых нитях Bi_0,92Sb_0,08

Николаева А.А., Конопко Л.А., Хубер Т.Е., Попов И.А., Пара Г.И., Ботнарь О.В.

Abstract

УДК 537.9, 53.06, 53.043

Исследованы транспортные свойства, магнетосопротивление и осцилляции Шубникова–де Гааза (ШдГ) монокристаллических нитей Bi_0,92Sb_0,08с диаметрами от 180 нм до 2,2 мкм, полученных литьем из жидкой фазы в стеклянной оболочке с ориентацией (1011) вдоль оси нити. Впервые обнаружено, что энергетическая щель DE возрастает в 4 раза с уменьшением диаметра нитей d за счет проявления квантового размерного эффекта. Значительное возрастание энергетической щели может происходить в условиях линейного закона дисперсии энергии от импульса, характерного как для бесщелевого состояния, так и для поверхностных состояний топологического изолятора. Показано, что в сильном магнитном поле при низких температурах происходит переход полупроводник–полуметалл, проявляющийся в температурных зависимостях сопротивления. Анализ осцилляций ШдГ–сдвиг фазы уровней Ландау, особенности угловых зависимостей периодов осцилляций указывают, что совокупность проявления свойств топологического изолятора и квантового размерного эффекта приводит к проявлению новых эффектов в размерно-ограниченных структурах, требующих иных научных подходов и применений в микроэлектронике.

Ключевые слова: квантовый размерный эффект, топологический изолятор, поверхностные состояния, монокристаллические нанонити, квантовые осцилляции, поперечное магнетосопротивление.

The transport properties, magnetoresistance, and Shubnikov–de Haas (SdH) oscillations of glass-coated Bi_0.92Sb_0.08 single-crystal wires with diameters of 180 nm to 2.2 mm and the (1011) orientation along the wire axis, which are prepared by liquid phase casting, have been studied. For the first time, it has been found that the energy gap DE increases by a factor of 4 with a decrease in the wire diameter d owing to the manifestation of the quantum size effect. This significant increase in the energy gap can occur under conditions of an energy–momentum linear dispersion relation, which is characteristic of both the gapless state and the surface states of a topological insulator. It has been shown that, in a strong magnetic field at low temperatures, a semiconductor–semimetal transition occurs; it is evident in the temperature dependences of resistance in a magnetic field. An analysis of the SdH oscillations, namely, the phase shift of the Landau levels and the features of the angular dependences of the oscillation periods, suggests that the combination of the manifestation of the topological insulator properties and the quantum size effect leads to the occurrence of new effects in low-dimensional structures, which requires new scientific approaches and applications in microelectronics

Keywords: quantum size effect, topological insulator, surface state, single-crystal nanowires, quantum oscillations, transverse magnetoresistance.

Download full-text PDF. 335 downloads

Menu

Vol. 57 (2021), Issue 6, p. 79-86

Квантовый размерный эффект и осцилляции Шубникова–де Гааза в поперечном магнитном поле в полупроводниковых нитях Bi0,92Sb0,08

Abstract

Квантовый размерный эффект и осцилляции Шубникова–де Гааза в поперечном магнитном поле в полупроводниковых нитях Bi_0,92Sb_0,08