Esfoliazione assistita da cera e incapsulamento di AlOx a doppia superficie: significativo miglioramento delle fasi topologiche in MnBi2Te4
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I materiali bidimensionali sono composti da strati atomici accoppiati dalla forza di van der Waals. Questo debole legame interstrato permette di isolare i cristalli sfusi in fiocchi a singolo o a pochi strati attraverso metodi di esfoliazione, dando origine a fenomeni fisici esotici. Il metodo più utilizzato è l'esfoliazione meccanica con nastro adesivo su substrati di SiO₂/Si, dove la forte adesione del substrato facilita la scissione degli strati superficiali.
MnBi 2 Te 4 è il primo isolante topologico antiferromagnetico intrinseco, che ha attirato un'intensa attenzione negli ultimi anni. Ospita sia un ordine magnetico stratificato sia una topologia di banda non banale, che lo rendono una piattaforma unica per lo studio degli stati quantistici topologici. Gli esperimenti hanno già dimostrato l'effetto Hall quantistico anomalo (QAH) in dispositivi MnBi 2 Te 4 a strato dispari ( Science 367, 895 (2020)) e lo stato di isolante axion in dispositivi a strato pari ( Nat. Mater. 19, 522 (2020)). Tuttavia, le sfide legate alla fabbricazione di dispositivi MnBi 2 Te 4 di alta qualità e all'ottenimento di stati quantici riproducibili in essi hanno limitato la realizzazione sperimentale di questi fenomeni quantistici, sottolineando così la necessità di tecniche innovative di fabbricazione dei dispositivi.
L'esfoliazione convenzionale con nastro adesivo è spesso inefficace per i materiali difficili da esfoliare, in quanto i fiocchi risultanti tipicamente si rompono e si frantumano in piccoli pezzi. Per risolvere questi problemi, i ricercatori hanno introdotto in precedenza l'esfoliazione assistita da oro ( Nat. Commun. 11, 2453 (2020)) o AlO x assistito ( Nature 563, 94 (2018)), metodi di esfoliazione in cui uno strato di metallo o ossido depositato funge da strato di supporto. I ricercatori si sono chiesti se fosse possibile trovare uno strato ausiliario più conveniente, in grado di sostenere il campione e allo stesso tempo di proteggerne le delicate proprietà quantistiche.
I cristalli di MnBi2Te4 aderiscono alla cera ammorbidita a temperature elevate; al raffreddamento, la cera si solidifica in un guscio protettivo rigido e trasparente. L'esfoliazione ripetuta sulla superficie della cera produce scaglie lisce di grande superficie, adatte al trasferimento e alla fabbricazione di dispositivi.
©Science China Press
La svolta della ricerca
In questo studio, il team di Tsinghua-RUC ha sviluppato un metodo di esfoliazione assistita da cera (brevetto n. CN202311150854.3) per fabbricare dispositivi MnBi 2 Te 4 di alta qualità con incapsulamento di AlO x a doppia superficie.
Il Crystalbond 509, un adesivo termoplastico comunemente utilizzato, diventa morbido e viscoso al riscaldamento, mentre il raffreddamento lo trasforma in un solido rigido e trasparente. Sfruttando questa proprietà, il gruppo di ricerca ha attaccato cristalli di MnBi 2 Te 4 sulla cera ammorbidita e riscaldata; al raffreddamento, la cera ha formato un "guscio protettivo" rigido e trasparente. L'esfoliazione sul substrato di cera non solo ha preservato l'integrità del cristallo, ma ha anche permesso di preparare scaglie di grande superficie, atomicamente piatte, ben adatte per il successivo trasferimento e la fabbricazione di dispositivi.
Sulla base del loro precedente lavoro che ha dimostrato gli effetti benefici di un singolo strato di copertura di AlO x su MnBi 2 Te 4 ( Nat. Commun. 16, 1727 (2025); Nature 641, 70 (2025)), il gruppo di ricerca ha fabbricato eterostrutture AlO x -MnBi 2 Te 4 -AlO x, con entrambe le superfici dei fiocchi di MnBi 2 Te 4 ricoperte da strati di AlO x. L'AlO x svolge una duplice funzione:
come barriera protettiva contro la contaminazione organica durante la fabbricazione e come interfaccia che aumenta l'anisotropia magnetica perpendicolare, rafforzando così l'ordine magnetico in MnBi 2 Te 4 .
Questo duplice approccio di incapsulamento ha migliorato significativamente la robustezza delle fasi topologiche in MnBi 2 Te 4 . Nei dispositivi a strato pari è stato osservato uno stato di isolante di assione ben sviluppato, caratterizzato da un ampio plateau di zero-Hall e da una resistenza longitudinale altamente isolante. Nei dispositivi a strato dispari, l'effetto QAH ha mostrato anelli di isteresi quasi rettangolari con una maggiore coercitività (o campo magnetico spin flip). Inoltre, l'effetto è stato ulteriormente amplificato da campi magnetici in piano, corroborando le precedenti osservazioni di risposte magnetiche peculiari di MnBi 2 Te 4 .
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