Projektbeschreibung
Ein Schritt weiter in Richtung der ersten praktischen 3D-Topologie-Isolatorvorrichtung
Topologische Isolatoren sind exotische Zustände der Materie, die sich in ihrem Inneren wie ein Isolator verhalten, deren Oberfläche aber leitende Zustände beibehält, was bedeutet, dass Elektronen sich nur entlang der Materialoberfläche bewegen können. Der Elektronentransport in 3D-Topologie-Isolatoren wird von Massenträgern dominiert, die ihr Potenzial für den Einsatz in modernen spintronischen Geräten und Anwendungen einschränken. Das EU-finanzierte Projekt MATTER wird einen Weg um dieses Hindernis herum bereitstellen, indem ein Ansatz für den Nanopartikelentwurf auf Basis des frühen Stadiums des Sinterns befolgt wird. Die experimentellen Arbeiten werden durch die spektroskopische Charakterisierung der Eigenschaften der Nanopartikel sowie durch theoretische Arbeiten zur Transportmodellierung ergänzt. Mit dem Projekt sollen die ersten praktischen makroskopischen Quanten-Transportgeräte gezeigt werden, die die elektronischen Eigenschaften von Oberflächenzuständen nutzen.
Ziel
Ever since the discovery of topological surface states in three-dimensional (3D) topological insulators (TI), this fascinating physics has thrilled scientists. While arguable the transport properties of 3D TIs are of utmost importance for potential applications, they are extremely difficult to characterize, yet utilize for devices. The reason is that transport in those materials is always dominated by bulk carriers. Within this proposed research project, I will overcome the problem of bulk carrier domination conceptually by a nanoparticle-based materials’ design of interrupted early stage sintering. By this interrupted early stage sintering approach, I compact 3D TI nanoparticles at mild temperature and low pressure. The obtained highly porous macroscopic sample features a carrier density of the surface states in the order of 1018 cm-3, hence in a comparable order of magnitude as the bulk carrier density. Further, the interruptedly sintered nanoparticles impose energetic barriers for the transport of bulk carriers (hopping transport), while the connected surfaces of the nanoparticles provide a 3D percolation path for surface carriers. Within the preliminary work, my group tuned interruptedly sintered nanoparticles into a transport regime completely dominated by the surface states.
Within this project, nanoparticle-based macroscopic 3D TI materials will be developed towards test structures for devices. Their properties will be tailored by the nanoparticle synthesis (Objective 1) and the materials processing of interrupted early stage sintering (Objective 2). This is complemented by an in-depth characterization of the transport as well as spectroscopic properties and data modelling (Objective 3). My group will use this know-how for the fabrication of test devices (Objective 4). This combination will provide the first macroscopic quantum transport devices that utilize the unique electronic properties of surface states, overcoming the problem of bulk carrier domination
Wissenschaftliches Gebiet
Schlüsselbegriffe
Programm/Programme
Thema/Themen
Finanzierungsplan
ERC-COG - Consolidator GrantGastgebende Einrichtung
45141 Essen
Deutschland