Exfoliation assistée par cire et encapsulation d'AlOx à double surface : amélioration significative des phases topologiques dans MnBi2Te4
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Les matériaux bidimensionnels sont composés de couches atomiques couplées par la force de van der Waals. Cette faible liaison entre les couches permet d'isoler les cristaux en vrac en flocons d'une ou de quelques couches par des méthodes d'exfoliation, ce qui donne lieu à des phénomènes physiques exotiques. La méthode la plus répandue est l'exfoliation mécanique par Scotch-tape sur des substrats SiO₂/Si, où la forte adhérence du substrat facilite le clivage des couches superficielles.
Le MnBi2Te4 est le premier isolant topologique antiferromagnétique intrinsèque, qui a suscité une grande attention ces dernières années. Il héberge à la fois un ordre magnétique en couches et une topologie de bande non triviale, ce qui en fait une plate-forme unique pour l'étude des états quantiques topologiques. Des expériences ont déjà démontré l'effet Hall anomal quantique (QAH) dans des dispositifs MnBi 2 Te 4 à couche impaire ( Science 367, 895 (2020)) et l'état d'isolant axionique dans des dispositifs à couche paire ( Nat. Mater. 19, 522 (2020)). Cependant, les défis posés par la fabrication de dispositifs MnBi 2 Te 4 de haute qualité et l'obtention d'états quantiques reproductibles dans ces dispositifs ont limité la réalisation expérimentale de ces phénomènes quantiques, soulignant ainsi le besoin de techniques innovantes de fabrication de dispositifs.
L'exfoliation conventionnelle par ruban adhésif est souvent inefficace pour les matériaux difficiles à exfolier, car les flocons obtenus se fissurent généralement et se brisent en petits morceaux. Pour résoudre ces problèmes, les chercheurs ont introduit la technique de l'exfoliation assistée par l'or ( Nat. Commun. 11, 2453 (2020)) ou des méthodes d'exfoliation assistée par AlO x ( Nature 563, 94 (2018)), où une couche de métal ou d'oxyde déposée agit comme une couche de support. Les chercheurs ont continué à se demander s'il était possible de trouver une couche auxiliaire plus pratique, capable de soutenir l'échantillon tout en protégeant ses délicates propriétés quantiques.
Les cristaux de MnBi2Te4 adhèrent à la cire ramollie à des températures élevées ; en refroidissant, la cire se solidifie en une coque protectrice rigide et transparente. Une exfoliation répétée à la surface de la cire permet d'obtenir des paillettes lisses de grande surface, adaptées au transfert et à la fabrication de dispositifs.
©Science China Press
Percée de la recherche
Dans cette étude, l'équipe Tsinghua-RUC a mis au point une méthode d'exfoliation assistée par la cire (brevet n° CN202311150854.3) pour fabriquer des dispositifs MnBi 2 Te 4 de haute qualité avec une encapsulation AlO x à double surface.
Le Crystalbond 509, un adhésif thermoplastique couramment utilisé, devient mou et visqueux lorsqu'il est chauffé, tandis que le refroidissement le transforme en un solide rigide et transparent. Tirant parti de cette propriété, le groupe de recherche a fixé des cristaux de MnBi 2 Te 4 sur de la cire ramollie et chauffée ; en refroidissant, la cire a formé une "coquille protectrice" dure et transparente. L'exfoliation sur le substrat de cire a non seulement préservé l'intégrité des cristaux, mais a également permis la préparation de flocons de grande surface, atomiquement plats, bien adaptés au transfert ultérieur et à la fabrication de dispositifs.
S'appuyant sur leurs travaux antérieurs démontrant les effets bénéfiques d'une simple couche de couverture d'AlO x sur le MnBi 2 Te 4 ( Nat. Commun. 16, 1727 (2025) ; Nature 641, 70 (2025)), le groupe de recherche a fabriqué des hétérostructures AlO x -MnBi 2 Te 4 -AlO x , les deux surfaces des flocons de MnBi 2 Te 4 étant recouvertes de couches d'AlO x . L'AlO x joue un double rôle :
- comme barrière protectrice contre la contamination organique pendant la fabrication, et
- comme interface qui améliore l'anisotropie magnétique perpendiculaire, renforçant ainsi l'ordre magnétique dans le MnBi 2 Te 4 .
Cette double approche d'encapsulation a considérablement amélioré la robustesse des phases topologiques dans le MnBi 2 Te 4 . Dans les dispositifs à couche paire, un état d'isolant axionique bien développé a été observé, avec un large plateau zéro-Hall et une résistance longitudinale hautement isolante. Dans les dispositifs à couche impaire, l'effet QAH présentait des boucles d'hystérésis presque rectangulaires avec une coercivité accrue (ou un champ magnétique de retournement de spin). En outre, l'effet a été amplifié par des champs magnétiques dans le plan, ce qui corrobore les observations antérieures de réponses magnétiques particulières propres au MnBi 2 Te 4 .
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