Магнітотранспортні характеристики ниткоподібних кристалів Bi2Se3 для сенсорної електроніки

Abstract

Дисертацію присвячено комплексному дослідженню магнітотранспортних, надпровідних та квантово-інтерференційних властивостей ниткоподібних кристалів Bi₂Se₃<Pd> — низьковимірних топологічних матеріалів, що поєднують сильну спін-орбітальну взаємодію, поверхневі канали провідності та здатність формувати нетривіальні надпровідні фази. Робота орієнтована на поглиблення розуміння фізичних механізмів електронного транспорту в топологічних наноструктурах та оцінення їхнього потенціалу для наноелектроніки, сенсорики й спінтроніки. У дисертації розв’язано комплекс експериментальних і аналітичних завдань, спрямованих на встановлення фізичних механізмів транспорту в ниткоподібних кристалах Bi₂Se₃<Pd> з концентрацією паладію (1 – 2) × 1019 см-3 у широкому температурному діапазоні 1.8 – 300 K та магнітних полях до 14 Тл. Встановлено параметри двоступеневого надпровідного переходу з критичними температурами приблизно 5.3 K та 3.5 K, визначено верхнє критичне поле до 1.45 Тл та коротку когерентну довжину близько 15 нм, характерну для систем зі сильною спін-орбітальною взаємодією та нетрадиційним механізмом спаровування. Кількісний аналіз слабкої анти-локалізації показав зростання довжини фазової когерентності при зниженні температури та інтенсивне спінорбітальне розсіювання, що підтверджує домінування двовимірних приповерхневих каналів провідності. Додатково встановлено наявність Кондоподібного мінімуму опору в діапазоні 25 – 30 K, який відображає взаємодію делокалізованих носіїв із локалізованими магнітними моментами та впливає на стабільність надпровідної фази. Виявлено також ознаки нематичності — порушення ротаційної симетрії критичних полів, що узгоджується з поведінкою інших топологічних надпровідників на основі Bi2Se3. Отримані результати доповнено оцінкою прикладного потенціалу ниткоподібних Bi2Se3 як сенсорів сильних магнітних полів і температури та аналізом схем вторинної обробки сигналів для їх реалізації. The dissertation is devoted to a comprehensive study of the magnetotransport, superconducting, and quantum-interference properties of Bi₂Se₃<Pd> whiskers—lowdimensional topological materials that combine strong spin–orbit interaction, surface conduction channels, and the ability to host non-trivial superconducting phases. Thework aims to deepen the understanding of the fundamental mechanisms of electron transport in topological nanostructures and to assess their potential for nanoelectronics, sensing technologies, and spintronics. The dissertation solves a set of experimental and analytical tasks aimed at determining the physical mechanisms of transport in Bi₂Se₃<Pd> whiskers with a Pd concentration of (1 – 2) × 1019 cm-3 , investigated over a wide temperature range of 1.8 – 300 K and magnetic fields up to 14 T. The parameters of a two-step superconducting transition with critical temperatures of approximately 5.3 K and 3.5 K were established, along with the upper critical field of up to 1.45 T and a short coherence length of about 15 nm, typical for systems with strong spin–orbit coupling and unconventional superconducting behavior. Quantitative analysis of weak antilocalization revealed a temperature-dependent increase in phase-coherence length and pronounced spin–orbit scattering, confirming the dominance of two-dimensional surface-state transport. A Kondo-like res stance minimum in the range of 25 – 30 K was identified, reflecting the interaction of delocalized carriers with localized magnetic moments and influencing the stability of the superconducting phase. Signatures of nematicity — manifested as rotational-symmetry breaking of critical fields — were also observed, consistent with the behavior of other topological superconductors based on Bi2Se3. The obtained results were complemented by an evaluation of the application potential of Bi2Se3 whiskers as high-field magnetic sensors and temperature sensors, as well as an analysis of signal-processing schemes for their practical implementation.