Investigation of topological surface states in large-area MOCVD-grown Sb2Te3 thin films via magnetoresistance measurements

This thesis presents the research on the electrical transport and magnetoresistance properties of Sb2Te3 (antimony telluride) thin films. Sb_2Te_3 is the material that has a promising potential in the field of the topological insulators (TIs), making it ideal candidate for next-generation spintronic devices. In particular, the studied 3D topological insulator Sb2Te3 thin films have been synthesized through metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD), a technique that is already employed in industries (i.e. to produce materials for optoelectronics), thus placing these studies at the edge between basic research and future industrial-scale applications. This study provides detailed electrical characterization via Hall measurements and magnetoresistance analysis on Sb2Te3 thin films of different thicknesses deposited on 4-inch wafer-scale silicon substrates. Through the Hall measurements we validated the conformity of the transport properties (e.g. p-type carriers) with previous works. On the other hand, the magnetoresistance measurements exhibited a pronounced weak anti-localization (WAL) effect, which is indicative of topologically protected surface states. Overall, the analyses indicated that Sb2Te3 films were grown quasi-epitaxially, with excellent and uniform structural and electronic properties across the wafer. Some variations have been identified over the 4-inch area, which have been correlated with variations of topologically-protected electrical conduction as probed by magnetotransport, thus providing intimate details on the correlation between materials’ quality and their functionalities. This work demonstrates that large-area Sb2Te3 thin films can be reproducibly deposited using MOCVD, presenting a scalable route for the industrial production of topological insulator-based devices.

Questa tesi presenta la ricerca sulle proprietà di trasporto elettrico e magnetoresistenza dei film sottili di Sb_2Te_3 (tellururo di antimonio). Sb_2Te_3 è un materiale con un potenziale promettente nel campo degli isolanti topologici (TIs), rendendolo un candidato ideale per i dispositivi spintronici di nuova generazione. In particolare, i film sottili di Sb2Te3 studiati, un isolante topologico 3D, sono stati sintetizzati tramite deposizione chimica da vapore organometallico (MOCVD), una tecnica già impiegata nell'industria (ad esempio, per la produzione di materiali per l'optoelettronica), posizionando così questi studi al confine tra ricerca di base e applicazioni industriali future. Questo studio fornisce una caratterizzazione elettrica dettagliata tramite misurazioni di Hall e analisi della magnetoresistenza su film sottili di Sb2Te3 di diversi spessori depositati su substrati di silicio su scala wafer da 4 pollici. Le misurazioni di Hall hanno validato la conformità delle proprietà di trasporto (ad esempio, portatori di tipo p) con lavori precedenti. D'altro canto, le misurazioni della magnetoresistenza hanno mostrato un pronunciato effetto di debole anti-localizzazione (WAL), indicativo di stati superficiali protetti topologicamente. Nel complesso, le analisi hanno indicato che i film di Sb2Te3 sono stati cresciuti in modo quasi epitassiale, con eccellenti e uniformi proprietà strutturali ed elettroniche su tutto il wafer. Alcune variazioni sono state identificate sull'area di 4 pollici, correlate a variazioni della conduzione elettrica protetta topologicamente come rilevato dal magnetotrasporto, fornendo così dettagli intimi sulla correlazione tra la qualità dei materiali e le loro funzionalità. Questo lavoro dimostra che i film sottili di Sb2Te3 su larga area possono essere depositati in modo riproducibile utilizzando MOCVD, presentando una via scalabile per la produzione industriale di dispositivi basati su isolanti topologici.