Ученые смогли точно измерить оптические константы кристалла Bi2Te3. Полученные результаты ускорят разработку фотонных устройств на его основе и раскрывают его потенциал для создания высокоэффективных оптических устройств. Работа опубликована в журнале Applied Physics Letters.
Кристалл теллурида висмута (Bi2Te3) обладает уникальными оптическими свойствами: сверхвысоким показателем преломления (n > 6) и анизотропией, то есть оптические свойства по различным направлениям отличаются. Кроме того, он является ван-дер-ваальсовым топологическим изолятором. Это значит, что при приложении внешнего напряжения электрический ток пойдет не в объеме материала, а по поверхности благодаря топологически защищенным поверхностным состояниям. Сам материал состоит из слоев, связанных между собой силами ван дер Ваальса, аналогично тому, как графит состоит из слоев графена. Теллурид висмута интересен в качестве платформы для нового поколения метаповерхностей с компактными размерами и высокой производительностью. Удивительно, но точное значение показателя преломления кристалла до настоящего времени не было установлено — в различных научных работах его значения отличались почти в 2 раза. Физики смогли определить причину наблюдаемого расхождения и устранить ее.
При измерении оптических свойств сначала были изготовлены образцы, состоящие из плоской и довольно тонкой (толщиной десятки нанометров) чешуйки, отщепленной от большого кристалла и перенесенной на подложку. Далее провели измерения методом эллипсометрии в широком спектральном диапазоне длин волн от 450 до 1500 нм. Для получения из результатов измерений точных оптических свойств кристалла необходима оптическая модель образца. Она содержит информацию о толщине чешуйки, характере зависимости оптических констант от длины волны, показателе преломления подложки. От того, насколько точно закладываемая в расчеты оптическая модель образца соответствует реальному образцу, зависит достоверность полученных оптических свойств Bi2Te3. Для правильного выбора характера зависимости констант от длины волны использовалась упрощенная оптическая модель, в которой оптические свойства кристалла предполагались изотропными, т.е. одинаковыми по всем направлениям. Вычисление велось поточечным методом, в котором константы на каждой длине волны определялось независимо друг от друга. Рассчитанные таким образом оптические константы не в полной мере согласуются с результатами измерений, в основном из-за того, что в приповерхностном слое кристалла имеется оксидная пленка, не учтенная в упрощенной оптической модели. Корректный учет оксидной пленки и позволил найти истинные оптические константы материала.
Рисунок 1. Кристаллическая структура Bi2Te3. Источник: журнал Applied Physics Letters
«К выбору оптической модели мы подошли особенно тщательно. Толщина образцов измерялась с высокой точностью при помощи атомно-силовой микроскопии. А методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии мы подтвердили не только наличие оксидного слоя, но и то, что его толщина составляет менее 5 нм», — рассказал Андрей Вишневый, заведующий лабораторией нанооптики и плазмоники МФТИ.
Основная сложность заключалась в том, что оптические свойства оксидного слоя неизвестны, а потому их нужно было определять одновременно с оптическими константами самого материала. Это приводило к росту количества неизвестных параметров и усложнению задачи. Чтобы обойти эту проблему, исследователи использовали среднее от известных констант для оксидов Bi2O3 и TeO2 в качестве начального приближения. В сочетании с ранее полученной информацией о толщине чешуек и оксидного слоя данных оказалось достаточно для однозначного и точного определения оптических свойств Bi2Te3.
«Измерив параметры двух кристаллов разной толщины (67 и 52 нм), мы получили согласующиеся результаты. В обоих образцах конечные константы Bi2Te3, как и константы оксидного слоя, совпали между собой. Более того, даже толщины оксидных слоев получились одинаковыми и составили 2,7 нм. Такие совпадения подтверждают корректность разработанной оптической модели и точность полученных результатов», — прокомментировала Марва Эль-Сайед, научный сотрудник лаборатории двумерных материалов и наноустройств МФТИ и университета Менуфия.
«Казалось бы, влияние тонкого оксидного слоя должно быть минимальным, но из-за гигантских значений оптических констант Bi2Te3 заметный эффект создается даже нанометровым оксидным слоем», — дополнил Иван Высланко, магистрант кафедры физики и технологии наноструктур ЛФИ.
Для полноты исследования физики продемонстрировали, что поверхностный проводящий слой Bi2Te3 и его оптическая анизотропия не влияет на оптические параметры в эллипсометрическом анализе. Это значит, что для видимых и ближних инфракрасных длин волн следует учитывать только оксидный слой и можно спокойно пренебречь вкладом топологических проводящих состояний и оптической анизотропией Bi2Te3. Показатель преломления материала достигает значений до 7 со значительными коэффициентами экстинкции выше 2 в ближнем инфракрасном диапазоне.
Если бы Bi2Te3 был прозрачным и обладал таким высоким показателем преломления, он стал бы идеальным материалом для интегральной нанофотоники. Однако из-за сильного оптического поглощения его сложно использовать для этой цели и области применения другие. Наример, из него можно изготовить наночастицы, способные сильно нагреваться под действием внешнего лазерного излучения. Такие частицы могут стать превосходными агентами для фототермической терапии опухолей. Ученые рассмотрели потенциальные приложения кристалла Bi2Te3, такие как основа высокочувствительных биосенсоров и сверхтонких голограмм.
«Теперь когда мы получили эталонные оптические свойства, будем разрабатывать оптические устройства на основе Bi2Te3, например, метаповерхности для передачи изображений в задачах дополненной реальности», — поделился планами на будущее Гергий Ермолаев, сотрудник исследовательского центра «Кспансео».
«В будущем было бы интересно изготовить устройства на основе Bi2Te3, т. е. биосенсоры и наночастицы-агенты фототермической терапии», — добавил Андрей Вишневый.
В работе принимали участие ученые из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, университета Менуфия (Египет), МИФИ и Ереванского государственного университета.
