Molecular beam epitaxial growth and electronic transport properties of high quality topological insulator Bi2Se3 thin films on hexagonal boron nitride

본 연구에서는 2차원 층상구조를 갖는 절연체인 질화붕소(hexagonal boron nitride; h-BN) 위에 분자선에피택시법(molecular beam epitaxy)을 이용하여 고품질의 위상절연체(topological insulator) Bi2Se3 박막을 성장하는 방법과 이의 구조적, 전기적 특성을 보고한다. 특히, 넓은 면적에서 균일한 박막을 얻을 수 있는 2단계 성장법을 개발하였고, 성장된 박막이 ▲질화붕소와 에피택시 관계를 이루며, ▲높은 결정성을 갖고, ▲원자 수준으로 깨끗한 계면을 형성한다는 것을 고분해능 투과전자현미경을 이용하여 검증하였다. 또한 마이크로소자 제작과 전하수송특성 분석을 통해 Bi2Se3와 h-BN의 계면에 높은 전하이동도(carrier mobility)를 갖는 2차원 전도채널이 존재함을 규명하였고, 양자진동 관측을 통해 이 계면채널이 위상학적 표면상태(topological surface state)임을 밝혔다.

We report the molecular beam epitaxial growth and characterization of high quality topological insulator Bi2Se3 thin films on hexagonal boron nitride (h-BN). A two-step growth was developed, enhancing both the surface coverage and crystallinity of the films on h-BN. High-resolution transmission electron microscopy study showed an atomically abrupt and epitaxial interface formation between the h-BN substrate and Bi2Se3. We performed gate tuned magnetotransport characterizations of the device fabricated on the thin film and confirmed a high mobility surface state at the Bi2Se3/h-BN interface. The Berry phase obtained from Shubnikov−de Haas oscillations suggested this interfacial electronic state is a topologically protected Dirac state.

Journal: 2D Materials (2015 Impact Factor = 9.611)
Publication date: 21 September 2016
DOI: 10.1088/2053-1583/3/3/035029

Authors: Joon Young Park (서울대), Gil-Ho Lee (Harvard), Janghyun Jo (서울대), Austin K Cheng (Harvard), Hosang Yoon (서울대), Kenji Watanabe (NIMS), Takashi Taniguchi (NIMS), Miyoung Kim (서울대), Philip Kim* (Harvard) and Gyu-Chul Yi* (서울대)
* Corresponding authors