Структура и свойства тонких магнетронных пленок арсенида кадмия на различных подложках

Цель исследования. Получение магнетронных пленок арсенида кадмия на различных подложках и изучение их структуры, состава, оптических и электрических свойств.
Методы. Напыление тонких пленок арсенида кадмия осуществлялось методом нереактивного высокочастотного магнетронного напыления в атмосфере аргона. Структура и состав пленок исследовались с помощью рентгенофазового анализа, сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионного анализа, малоугловой рентгеновской дифрактометрии. Оптические исследования выполнялись с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света. Приведены результаты исследования электрических свойств тонких плёнок арсенида кадмия.
Результаты. На подложках из кремния, сапфира и титаната стронция получены тонкие пленки дираковского полуметалла – арсенида кадмия с толщиной около 40 нм. Исследование их структуры и состава показало существенное влияние следующего за напылением отжига в атмосфере аргона на кристалличность пленки. После отжига независимо от кристаллической структуры подложки частичное ориентирование пленки с осью текстуры (112). Наиболее близкие к стехиометрическому составу пленки получены при напылении с последующим отжигом на ориентированную подложку из титаната стронция, а к кристаллической структуре монокристаллов арсенида кадмия пленки на подложке из сапфира. Отжиг также приводит к сглаживанию поверхности пленки, уменьшению дефектов структуры и переходу фрактальной размерности ее топологии к двумерной от близкой к трехмерной непосредственно после напыления. Оптические свойства после отжига также изменяются, что свидетельствует об их переходе от поликристаллического (аморфного) состояния к монокристаллическому (текстурированному).
Заключение. Выполненные различными методами экспериментальные исследования структуры и свойств позволили установить, что контролируемым отжигом можно получать монокристаллические или текстурированные пленки арсенида кадмия, пригодные для исследования проявления топологических свойств.

1. Ultrahigh mobility and giant magnetoresistance in the Dirac semimetal Cd3As2 / T. Liang, Q. Gibson, M. N. Ali, M. Liu, R. J. Cava, N. P. Ong // Nature materials. 2015. Vol. 14, no. 3. P. 280–284.

2. D Dirac semimetal Cd3As2: A review of material properties / I. Crassee, R. Sankar, W. L. Lee, A. Akrap, M. Orlita // Physical Review Materials. 2018. Vol. 2, no. 12. P. 120302.

3. Three-dimensional Dirac semimetal and quantum transport in Cd3As2 / Z. Wang, H. Weng, Q. Wu, X. Dai, Z. Fang // Phys. Rev. B. 2013. Vol. 88. P. 125427.

4. Experimental realization of a three-dimensional Dirac semimetal / S. Borisenko, Q. Gibson, D. Evtushinsky, V. Zabolotnyy, B. Büchner, R. J. Cava // Phys. Rev. Lett. 2014. Vol. 113. P. 027603.

5. Two-dimensional Dirac fermions in thin films of Cd3As2 / L. Galletti, T. Schumann, O. F. Shoron, M. Goyal, D. A. Kealhofer, H. Kim, S. Stemmer // Phys. Rev. B. 2018. Vol. 97. P. 115132.

6. Walowski J., Muzenberg M. Perspective: Ultrafast magnetism and THz spintronics // J. Appl. Phys. 2016. Vol. 120. P. 140901.

7. Anomalous Nernst effect in the Dirac semimetal Cd3As2 / T. Liang, J. Lin, Q. Gibson, T. Gao, M. Hirschberger, M. Liu, R. J. Cava, N. P. Ong // Physical Review Letters. 2017. Vol. 118, no. 13. P. 136601-1 – 136601-5.

8. Quantum Hall states observed in thin films of Dirac semimetal Cd3As2 / M. Uchida, Y. Nakazawa, S. Nishihaya, K. Akiba, M. Kriener, Y. Kozuka, A. Miyake, Y. Taguchi, M. Tokunaga, N. Nagaosa, Y. Tokura, M. Kawasaki // Nature communications. 2017. Vol. 8, no. 1. P. 2274-1 – 2274-7.

9. Observation of a three-dimensional topological Dirac semimetal phase in high-mobility Cd3As2 / M. Neupane, S. Y. Xu, R. Sankar, N. Alidoust, G. Bian, C. Liu, I. Belopolski, T. R. Chang, H. T. Jeng, H. Lin, A. Bansil, F. Chou, M. Z. Hasan // Nature communications. 2014. Vol. 5. P. 3786-1 – 3786-8.

10. Giant negative magnetoresistance induced by the chiral anomaly in individual Cd3As2 nanowires / C. Z. Li, L. X. Wang, H. Liu, J. Wang, Z. M. Liao, D. P. Yu // Nature Communications. 2015. Vol. 6. P. 10137-1 – 10137-7.

11. Transport evidence for Fermi-arc-mediated chirality transfer in the Dirac semimetal Cd3As2 / J. W. M. Philip, L. N. Nityan, H. Toni, C.P. Andrew, I. Kimchi, A. Vishwanath, J. G. Analytis // Research letter. 2016. Vol. 535, no. 7611. P. 266–270.

12. Thermoelectric signature of the chiral anomaly in Cd3As2 / Z. Jia, C. Li, X. Li, J. Shi, Z. Liao, D. Yu, X. Wu // Nature Communications. 2016. Vol. 7. P. 13013-1 – 13013-6.

13. Probing the chiral anomaly by planar Hall effect in Dirac semimetal Cd3As2 nanoplates / M. Wu, G. Zheng, W. Chu, Y. Liu, W. Gao, H. Zhang, J. Lu, Y. Han, J. Zhou, W. Ning, M. Tian // Physical review B. 2018. Vol. 98. P. 161110-1 – 161110-5.

14. Fu C., Sun Y., Felser C. Topological thermoelectrics // APL Materials. 2020. Vol. 8, no. 4. P. 040913. https://doi.org/10.1063/5.0005481.

15. Ultrafast photothermoelectric effect in dirac semimetallic Cd3As2 revealed by terahertz emission / W. Lu, Z. Fan, Y. Yang, J. Ma, J. Lai, X. Song, X. Zhuo, Z. Xu, J. Liu, X. Hu, S. Zhou, F. Xiu // Nature Communications. 2022. Vol. 13, no. 1. P. 1623. https://doi.org/10.1038/s41467022-29168-w.

16. Manifestation of kinetic inductance in terahertz plasmon resonances in thin-film Cd3As2 / A. Chanana, N. Lotfizadeh, Q. H. O. Condorie, P. Gopalan, J. R. Winger, S. Blair, A. Nahata, V. V. Deshpande, M. A. Scarpulla, B. Sensale-Rodriguez // ACS Nano. 2019. Vol. 13, no. 4. P. 4091–4100. https://doi.org/10.1021/acsnano.8b08649.

17. Gate-enhanced broadband photodetection based on Cd3As2/graphene Dirac heterojunctions / X. Liao, C. Xu, Z.-P. Fan, Y.-Y. Lan, N. Li, C.-G. Chu, A.-Q. Wang, D. Sun, Z.-M. Liao // Applied Physics Letters. 2023. Vol. 122, no. 3. P. 031105. https://doi.org/ 10.1063/5.0139561.

18. Ferromagnetic state above room temperature in a proximitized topological Dirac semimetal / M. Uchida, T. Koretsune, S. Sato, M. Kriener, Y. Nakazawa, S. Nishihaya, Y. Taguchi, R. Arita, M. Kawasaki // Phys. Rev. B. 2019. Vol. 10, no. 24. P. 245148-1 – 245148-7. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.100.245148.

19. Pressure-induced superconductivity in the three-dimensional topological Dirac semimetal Cd3As2 / L. He, Y. Jia, S. Zhang, X. Hong, C. Jin, S. Li // NPJ Quantum Materials. 2016. Vol. 1. P. 16014.

20. Observation of superconductivity induced by a point contact on 3D Dirac semimetal Cd3As2 crystals / W. He, W. Huichao, L. Haiwen, L. Hong, Y. Wuhao, J. Shuang, L. Xiong-Jun, X. C. Xie, W. Jian, W. Jian // Nature materials. 2016. Vol. 15, no. 1. P. 38–42.

21. Unconventional superconductivity at mesoscopic point contacts on the 3D Dirac semimetal Cd3As2 / L. Aggarwal, A. Gaurav, G. S. Thakur, Z. Haque, A. K. Ganguli, G. Sheet // Nature materials. 2015. Vol. 15, no. 1. P. 32–37.

22. Gate modulation of anisotropic superconductivity in Al-Dirac semimetal Cd3As2 nanoplate-Al Josephson junctions / N. Li, Z. B. Tan, J. J. Chen, T. Y. Zhao, C. G. Chu, A. Q. Wang, Z. C. Pan, D. Yu, Z. M. Liao // Superconductor Science and Technology. 2022. Vol. 35, no. 4. P. 044003.

23. Observation of subkelvin superconductivity in Cd3As2 thin films / A. V. Suslov, A. B. Davydov, L. N. Oveshnikov, L. A. Morgun, K. I. Kugel, V. S. Zakhvalinskii, E. A. Pilyuk, A. V. Kochura, A. P. Kuzmenko, V. M. Pudalov, B. A. Aronzon // Physical Review B. 2019. Vol. 99, is. 9. P. 094512.

24. Superconductivity and Shubnikov de Haas effect in polycrystalline Cd3As2 thin films / L. N. Oveshnikov, A. B. Davydov, A. V. Suslov, A. I. Ril, S. F. Marenkin, A. L. Vasiliev, B. A. Aronzon // Scientific Reports. 2020. Vol. 10, is. 1. P. 4601.

25. Induced superconductivity in the two-dimensional topological insulator phase of cadmium arsenide / A. Rashidi, R. Kealhofer, A. C. Lygo, V. Huang, S. Stemmer // APL Materials. 2023. Vol. 11, no. 41. P. 041117.

26. Morphology and optical properties of thin Cd3As2 films of a Dirac semimetal compound / N. Kovaleva, L. Fekete, D. Chvostova, A. Muratov // Metals. 2020. Vol. 10, is. 10. P. 1398.

27. Two-dimensional topological insulator state in cadmium arsenide thin films / A. C. Lygo, B. Guo, A. Rashidi, V. Huang, P. Cuadros-Romero, S. Stemmer // Physical Review Letters. 2023. Vol. 130, no. 427. P. 046201.

28. Jurusik J. The columnar microstructure of amorphous cadmium arsenide thin films // Thin Solid Films. 1994. Vol. 248. P. 178–183.

29. Получение и свойства тонких пленок Cd3As2 и Zn3P2 / Н. С. Жалилов, В. П. Саныгин, А. М. Квердаков, О. Н. Пашкова // Известия АН СССР. Неорганические материалы. 1990. Т. 26, вып. 9. С. 1975–1976.

30. Molecular beam epitaxy of three-dimensionally thick Dirac semimetal Cd3As2 films / Y. Nakazawa, M. Uchida, S. Nishihaya, S. Sato, A. Nakao, J. Matsuno, M. Kawasaki // APL Materials. 2019. Vol. 7. P. 071109.

31. Molecular beam epitaxy of Cd3As2 on a III-V substrate / T. Schumann, M. Goyal, H. Kim, S. Stemmer // APL Materials. 2016. Vol. 4. P. 126110.

32. Dubowski J. J., Williams D. F. Pulsed laser evaporation of Cd3As2 // Applied Physics Letters. 1984. Vol. 44. P. 339.

33. Синтез магнетронным распылением и структура тонких пленок арсенида кадмия / А. В. Кочура, В. С. Захвалинский, Зо Хтет Аунг, А. И. Риль, Е. А. Пилюк, А. П. Кузьменко, Б. А. Аронзон, С. Ф. Маренкин // Неорганические материалы. 2019. Т. 55, no. 9. C. 933–940.

34. Effect of Cd/As flux ratio and annealing process on the transport properties of Cd3As2 films grown by molecular beam epitaxy / S. X. Zhang, J. Zhang, Y. Wu, T. T. Kang, N. Li, X. F. Qiu, P. P. Chen // Materials Research Express. 2020. Vol. 7. P. 106405.

35. Ориентированные пленки полупроводниковых соединений Zn3As2 и Cd3As2 на сапфировых подложках / Н. С. Жалилов, В. П. Саныгин, Г. С. Юрьев, С. Ф. Маренкин, В. Б. Лазарев // Журнал неорганической химии. 1992. Т. 37, № 9. C. 1950–1954.

36. Cadmium arsenide films prepared by pulsed laser evaporation: electrical properties and lattice parameters / J. J. Dubowski, P. Norman, P. B. Sewell, D. F. Williams, F. Krolicki, M. Lewicki // Thin Solid Films. 1987. Vol. 147. P. L-51 – L-54.

37. Сверхпроводимость в тонких пленках дираковского полуметалла Cd3As2 / А. Б. Давыдов, Л. Н. Овешников, А. В. Суслов, А. И. Риль, С. Ф. Маренкин, Б. А. Аронзон // Физика твердого тела. 2020. Т. 62, № 3. C. 369–372.

38. Structural characterization of high-mobility Cd3As2 films crystallized on SrTiO3 / Y. Nakazawa, M. Uchida, Sh. Nishihaya, M. Kriener, Yu. Kozuka, Y. Taguchi, M. Kawasaki // Scientific Reports. 2018. Vol. 8. P. 2244.

39. Din M., Gould R. D. Van der Pauw resistivity measurements on evaporated thin films of cadmium arsenide, Cd3As2 // Applied Surface Science. 2006. Vol. 252. P. 5508–5511.

40. Ril A. I., Marenkin S. F. Cadmium arsenides: structure, synthesis of bulk and film crystals, magnetic and electrical properties (Review) // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2021. Vol. 66, no. 14. P. 2005–2016.

41. Тензиметрические исследования сублимации Cd3As2 / Г. Д. Нипан, Я. Х. Гринберг, В. Б. Лазарев // Журнал физической химии. 1989. T. 63, № 2. C. 325–328.

42. Федер Е. Фракталы. М.: Мир, 1991. 254 с.

43. О фрактальных свойствах агрегатов металлических нанокластеров на твердой поверхности / В. М. Самсонов, Ю. В. Кузнецова, Е. В. Дьякова // Журнал технической физики. 2016. Т. 86, № 2. C. 71 – 77.

44. Структурирование магнетронных нанопленок Zr при отжиге TD < Tan < Tm в атмосфере / А. П. Кузьменко, Тант Син Вин, Мьо Мин Тан, А. В. Кузько, Нау Динт // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2021. T. 11, № 2. C. 133–150.

45. Some aspects of raman scattering in Cd3As2 single crystals / J. Weszka, M. I. Renucc, A. Zwick // Physics Status Solidi (B). 1986. Vol. 133. P. 57.

46. Schönherr P., Hesjedal T. Structural properties and growth mechanism of Cd3As2 nanowires // Applied Physics Letters. 2015. Vol. 106. P. 013115.

47. Thickness-dependent quantum oscillations in Cd3As2 thin films / P. Cheng, C. Zhang, Y. Liu, X. Yuan, F. Song, Q. Sun, P. Zhou, D. W. Zhang, F. Xiu // New J. Physics. 2016. Vol. 18. P. 083003.

48. Vapor-phase synthesis and magnetoresistance of (Cd1−xZnx)3As2 (x=0.007) single crystals / A. V. Kochura, L. N. Oveshnikov, A. P. Kuzmenko, A. B. Davydov, S. Yu. Gavrilkin, S. Zakhvalinskii, V. A. Kulbachinskii, N. A. Khokhlov, B. A. Aronzon // Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2019. Т. 109, № 3. C. 174–175.