Exfoliación asistida por cera y encapsulación AlOx de doble superficie: mejora significativa de las fases topológicas en MnBi2Te4
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Los materiales bidimensionales se componen de capas atómicas acopladas por la fuerza de Van der Waals. Esta débil unión entre capas permite aislarlas de los cristales a granel en escamas de una o pocas capas mediante métodos de exfoliación, lo que da lugar a fenómenos físicos exóticos. El método más utilizado es la exfoliación mecánica con cinta Scotch sobre sustratos de SiO₂/Si, donde la fuerte adhesión del sustrato facilita la escisión de las capas superficiales.
El MnBi 2 Te 4 es el primer aislante topológico antiferromagnético intrínseco, que ha atraído una intensa atención en los últimos años. Alberga tanto orden magnético en capas como topología de banda no trivial, lo que lo convierte en una plataforma única para el estudio de estados cuánticos topológicos. Los experimentos ya han demostrado el efecto Hall anómalo cuántico (QAH) en dispositivos MnBi 2 Te 4 de capa impar ( Science 367, 895 (2020)) y el estado de aislante axión en dispositivos de capa par ( Nat. Mater. 19, 522 (2020)). Sin embargo, las dificultades para fabricar dispositivos de MnBi 2 Te 4 de alta calidad y lograr estados cuánticos reproducibles en ellos han limitado la realización experimental de estos fenómenos cuánticos, subrayando así la necesidad de técnicas innovadoras de fabricación de dispositivos.
La exfoliación convencional con cinta adhesiva suele ser ineficaz para materiales difíciles de exfoliar, ya que las escamas resultantes suelen agrietarse y romperse en trozos pequeños. Para resolver estos problemas, los investigadores introdujeron anteriormente la exfoliación asistida por oro ( Nat. Commun. 11, 2453 (2020)) o AlO x -assisted ( Nature 563, 94 (2018)) métodos de exfoliación, en los que una capa de metal u óxido depositada actúa como capa de soporte. Los investigadores continuaron preguntándose si se podría encontrar una capa auxiliar más conveniente, una que pudiera soportar la muestra y al mismo tiempo proteger sus delicadas propiedades cuánticas.
Los cristales de MnBi2Te4 se adhieren a la cera ablandada a temperaturas elevadas; al enfriarse, la cera se solidifica formando una capa protectora rígida y transparente. La exfoliación repetida en la superficie de la cera produce escamas lisas de gran superficie adecuadas para la transferencia y la fabricación de dispositivos.
©Science China Press
Avance de la investigación
En este estudio, el equipo de Tsinghua-RUC desarrolló un método de exfoliación asistida por cera (patente nº CN202311150854.3) para fabricar dispositivos de MnBi 2 Te 4 de alta calidad con encapsulación de AlO x de doble superficie.
Crystalbond 509, un adhesivo termoplástico de uso común, se vuelve blando y viscoso al calentarse, mientras que al enfriarse se transforma en un sólido rígido y transparente. Aprovechando esta propiedad, el grupo de investigación adhirió cristales de MnBi 2 Te 4 sobre cera ablandada calentada; al enfriarse, la cera formó una "cáscara protectora" dura y transparente. La exfoliación en el sustrato de cera no sólo preservó la integridad de los cristales, sino que también permitió preparar escamas atómicamente planas de gran superficie, idóneas para la posterior transferencia y fabricación de dispositivos.
Basándose en su trabajo anterior, que demostró los efectos beneficiosos de una capa de recubrimiento de AlO x sobre MnBi 2 Te 4 ( Nat. Commun. 16, 1727 (2025); Nature 641, 70 (2025)), el grupo de investigación fabricó heteroestructuras de AlO x -MnBi 2 Te 4 -AlO x , con ambas superficies de los copos de MnBi 2 Te 4 recubiertas por capas de AlO x. El AlO x desempeña una doble función. El AlO x desempeña una doble función:
- como barrera protectora contra la contaminación orgánica durante la fabricación, y
- como interfaz que mejora la anisotropía magnética perpendicular, reforzando así el orden magnético en el MnBi 2 Te 4 .
Este enfoque de encapsulación dual mejoró significativamente la robustez de las fases topológicas en MnBi 2 Te 4 . En los dispositivos de capa par, se observó un estado de axión aislante bien desarrollado, con una amplia meseta cero-Hall y una resistencia longitudinal altamente aislante. En los dispositivos de capas impares, el efecto QAH presentaba bucles de histéresis casi rectangulares con una coercitividad mejorada (o campo magnético de spin flip). Además, el efecto se amplificaba aún más con campos magnéticos en el plano, corroborando observaciones anteriores de respuestas magnéticas peculiares exclusivas del MnBi 2 Te 4 .
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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