Instytut Wysokich Ciśnień

Projekt pt. „Terahertz Sensor Based on Topological Materials” w Programie TEAM, będącym Projektem grantowym Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

Kwota projektu TEAM/2016-3/25 (POIR.04.04.00-00-3D76/16): 3 498 988 zł.

Tytuł projektu w jęz. polskim Czujniki terahercowe oparte o materiały topologiczne

• Cel projektu

Głównym celem projektu jest stworzenie w Polsce w Instytucie Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk wybitnej grupy naukowej, która będzie eksplorować wysoko częstotliwościowe (terahercowe) fizyczne właściwości oraz zastosowania topologicznych izolatorów dla terahercowych czujników.

• Innowacyjność projektu

Aby uzyskać takie przyrządy projekt proponuje badania innowacyjnych struktur półprzewodnikowych (HgTe/HgCdTe oraz GaSb/InAs), aby pokonać istniejące obecnie problemy: i) uzyskanie topologicznych stanów materii w podwyższonych temperaturach (aż do 300 K tzn. temperatury pokojowej) ii) umożliwienie szybkiego elektrycznego przełączania (on/off) iii) użycie studni kwantowych GaSb/InAs (topologicznych struktur), które mogą zostać wykonane przy pomocy standardowego processingu półprzewodnikowego.

• Co w jego ramach ma zostać osiągnięte/stworzone – jakie zastosowania mogą mieć wyniki projektu i w jakich dziedzinach naszego codziennego życia te wyniki mogą znaleźć zastosowanie
  (np. badania przyczynią się do wygenerowania nowych leków, usprawnią procesy produkcyjne w przemyśle itp.)

Pomimo wielu lat od odkrycia topologicznych materiałów, istnieją podstawowe problemy uniemożliwiające ich realne aplikacje. Głównymi problemami są i) że stany topologiczne materii są obserwowane obecnie jedynie w temperaturach kriogenicznych (poniżej 10 K) ii) nie istnieją struktury/mechanizmy umożliwiające szybkie przełączanie (on/off) pomiędzy topologicznymi stanami materii iii) większości dotychczasowych odkryć dokonano na półprzewodnikach HgTe/CdTe, w których nie jest możliwy standardowy wysokotemperaturowy processing. Generalnym celem tego projektu są badania nowych dwuwymiarowych struktur posiadających fazę topologicznego izolatora oraz przezwyciężenie istniejących problemów eksperymentalnych wymienionych powyżej. Te nowe topologiczne izolatory zostaną uzyskane poprzez specjalny układ studni kwantowych z materiałów półprzewodnikowych III-V . Będziemy poszukiwać eksperymentalnie najlepszego topologicznego izolatora poprzez wzrastanie różnych struktur epitaksjalnych oraz poprzez dostrajanie energii przerwy zabronionej za pomocą ciśnienia hydrostatycznego. W szczególności skoncentrujemy się na badaniach ewolucji podstawowych właściwości fizycznych pod ciśnieniem hydrostatycznym, ponieważ to pozwala na przyśpieszenie badań w kierunku znalezienia najlepszych parametrów (energii przerwy zabronionej, struktury pasmowej oraz czas relaksacji pędu, oraz absorpcji fononu i współczynników emisji) w różnych topologicznych fazach bez konieczności używania bardzo czasochłonnych i kosztownych wielokrotnych powtórzeń wzrostów struktur epitaksjalnych. Będziemy używać „optycznego” wzbudzania w terahercowym zakresie spektralnym, jako podstawowego narzędzia badawczego. Pomiary przejść pomiędzy stanami Landauskimi leżącymi w terahercowym zakresie oraz THz fotoprzewodnictwa będą użyte, jako narzędzie do badań ewolucji struktury pasmowej. Niezależnie, będą robione badania nowych THz oscylacji/niestabilności plazmy w różnych topologicznych fazach izolatora topologicznego.  Dzięki tym badaniom chcemy odpowiedzieć na pytania o uniwersalność fizycznego modelu dwuwymiarowego modelu oraz mechanizmu łamania topologicznej ochrony. Zamierzamy również odpowiedzieć jak specyficzne topologiczne stany oraz fermiony Diraca (z liniową dyspersją) w topologicznym izolatorze mogą modyfikować/wpływać na THz oscylacje plazmy oraz niestabilności plazmy niedawno odkryte w strukturach dwuwymiarowych. Zebranie odpowiedzi na wymienione powyżej pytania zapewnią fundament dla realizacji wysokoczęstotliwościowych przyrządów opartych na topologicznych materiałach. Aby uzyskać takie przyrządy projekt proponuje badania innowacyjnych HgTe/HgCdTe oraz GaSb/InAs struktur, w celu pokonania istniejących obecnie problemów czyli: i) uzyskania topologicznych stanów materii w podwyższonych temperaturach (aż do 300 K tzn. temperatury pokojowej) ii) umożliwienie szybkiego elektrycznego przełączania (on/off) iii) eksperymentalne eksploatowanie studni kwantowych GaSb/InAs (topologicznych struktur), które mogą zostać wykonane przy pomocy standardowego processingu półprzewodnikowego.

Wstępne badania pokazują ważność, wykonalność oraz metodologię już rozpoczętą w ramach międzynarodowego Polsko/Francusko/Rosyjskiego laboratorium LIA-TERAMIR. Wykonalność celów projektu jest już dobrze udokumentowana w wielu publikacjach w najbardziej renomowanych publikacjach lidera projektu. Laboratorium LIA-TERAMIR, w niniejszym projekcie, będzie też służyło, jako główna rama międzynarodowej współpracy dostarczając unikalnej jakości struktur, materiałów i technologii próbek z Francji i Rosji. Równocześnie projekt wzmocni potencjał badawczy w Polsce, w Instytucie Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk, poprzez budowanie za pomocą światowej klasy leaderów grupy naukowej w Polsce (TERA-TEAM), która przez silną współpracę naukową oraz realizację badań podstawowych na topologicznych strukturach, zbada ich możliwości aplikacyjne jako czujników THz.

Jako przykłady innych potencjalnych aplikacji można podać zastosowania w oszczędności energii wynikające z faktu  że topologiczne materiały są najlepsze dla produkcji termoelektryczności jak również do niskoenergetycznych systemów obliczeniowych ( komputery spintroniczne).

Poniżej przykład obliczeń teoretycznych dla studni kwantowych HgTe/CdHgTe oraz ciśnieniowy diagram fazowy dla takich struktur.

Rysunek 1. Typowa struktura pasmowa studni kwantowej (001) HgTe (QW) w temperaturze 0K oraz dla różnych szerokości QW: (a) faza BI (faza izolatora pasmowego), d< d_c, (b) stożek Diraca, d = d_c, (c) faza TI (faza izolatora topologicznego) d >d_c, (d) faza SM (faza półmetalu), d > d_SM. Podpasmo elektronowe E₁ jest pokazane niebieską linią, a linie czerwone odpowiadają podpasmom ciężkodziurowemu. Ostatni panel (e) z prawej pokazuje ciśnieniowy diagram fazowy dla pojedynczej studni kwantowej HgTe. Zacieniowany obszar odpowiada fazie półmetalu SM. Szary obszar odpowiada stanom TI dla dwóch temperatur 0K oraz 100K.

Publikacje Projektu

· An effective method for antenna design in field effect transistor terahertz detectors
Zhang Bo-Wen, Yan Wei, Li Zhao-Feng, Bai Long, Cywinski Grzegorz, Yahniuk Ivan, Szkudlarek Krzesimir, Skierbiszewski Czesław, Przybytek Jacek, But Dmytro B., Coquillat Dominnique, Knap Wojciech, Yang Fu-Hua
The Journal of Infrared and Millimeter Waves (JIRMW) 37, 398-392, (2018)
IF 0.387

· Electrically controlled wire-channel GaN/AlGaN transistor for terahertz plasma applications
G. Cywiński, I. Yahniuk, P. Kruszewski, M. Grabowski, K. Nowakowski-Szkudlarek, P. Prystawko, P. Sai, W. Knap, G. S. Simin, and S. L. Rumyantsev
Appl. Phys. Lett. 112, 133502 (2018)
IF 3.411

· THz detectors based on Si-CMOS technology field effect transistors – advantages, limitations and perspectives for THz imaging and spectroscopy
J. Marczewski, D. Coquillat, W. Knap, C. Kolacinskia, P. Kopyt, K. Kucharski, J. Lusakowski, D. Obrebski, D. Tomaszewski, D. Yavorskiy, P. Zagrajek, R. Ryniec, N. Palka
Opto-Electronics Review, Volume 26, Issue 4, Pages 261-269 (2018)
IF  1.156

· Magnetoconductivity and Terahertz Response of a HgCdTe Epitaxial Layer
Dmitriy Yavorskiy, Krzysztof Karpierz, Michał Baj, Małgorzata M. Bąk, Nikolai N. Mikhailov, Sergey A. Dvoretsky, Vladimir I. Gavrilenko, Wojciech Knap, Frederic Teppe and Jerzy Łusakowski
Sensors 2018, 18, 4341;
doi:10.3390/s18124341
IF=2.475

· AlGaN/GaN field effect transistor with two lateral Schottky barrier gates towards resonant detection in sub-mm range
P. Sai, D. B. But, I. Yahniuk, M. Grabowski, M. Sakowicz, P. Kruszewski, P. Prystawko, A. Khachapuridze, K. Nowakowski-Szkudlarek, J. Przybytek, P. Wiśniewski, B. Stonio, M. Słowikowski, S. L. Rumyantsev, W. Knap and G. Cywiński
Semiconductor Science and Technology 34 (2019) 024002
IF 2.28

· Magneto-transport in inverted HgTe quantum wells
Ivan Yahniuk, Sergey S. Krishtopenko, Grzegorz Grabecki, Benoit Jouault, Christophe Consejo, Wilfried Desrat, Magdalena Majewicz, Alexander M. Kadykov, Kirill E. Spirin, Vladimir I. Gavrilenko, Nikolay N. Mikhailov, Sergey A. Dvoretsky, Dmytro B. But, Frederic Teppe, Jerzy Wróbel, Grzegorz Cywiński, Sławomir Kret, Tomasz Dietl & Wojciech Knap
npj Quantum Materials 4, Article number: 13 (2019)
IF 6.562

· Magnetoconductivity of a Mercury Cadmium Telluride Resonant THz Detector
M. Bąk, D. Yavorskiy, K. Karpierz, J. Łusakowski, D. But, J. Przybytek, I. Yahniuk, G. Cywiński, W. Knap, F. Teppe, S. Krishtopenko, N.N. Mikhailov, S.A. Dvoretsky, V.I. Gavrilenko
Acta Physica Polonica A 134 page 973 (2018)
IF 0.857

· Suppressed Auger scattering and tunable light emission of Landau-quantized massless Kane electrons
D. B. But, M. Mittendorff, C. Consejo, F. Teppe, N. N. Mikhailov, S. A. Dvoretskii, C. Faugeras, S. Winnerl, M. Helm, W. Knap, M. Potemski & M. Orlita
Nature Photonics 13, 783–787(2019)
IF 31.583

· Low frequency noise and trap density in GaN/AlGaN field effect transistors
P. Sai, J. Jorudas, M. Dub, M. Sakowicz, V. Jakštas, D. B. But, P. Prystawko, G. Cywinski, I. Kašalynas, W. Knap and S. Rumyantsev
Appl. Phys. Lett. 115, 183501 (2019)
IF 3.521

· Grating Metamaterials Based on CdTe/CdMgTe Quantum Wells as Terahertz Detectors for High Magnetic Field Applications
Dmitriy Yavorskiy, Maria Szoła, Krzysztof Karpierz, Rafał Bożek, Rafał Rudniewski, Grzegorz Karczewski, Tomasz Wojtowicz, Jerzy Wróbel and Jerzy Łusakowski
MDPI Appl. Sci. 2020, 10, 2807
IF 2.474

· Polarization of Magnetoplasmons in Grating Metamaterials Based on CdTe/CdMgTe Quantum Wells
Dmitriy Yavorskiy, Maria Szoła, Krzysztof Karpierz, Rafał Rudniewski, Rafał Bożek, Grzegorz Karczewski, TomaszWojtowicz, Jerzy Wróbel and Jerzy Łusakowski
MDPI Materials 2020, 13, 1811
IF 3.057

· Symmetry breaking and circular photogalvanic effect in epitaxial Cd_xHg_1-xTe films
S. Hubmann, G. V. Budkin, M. Otteneder, D. But, D. Sacré, I. Yahniuk, K. Diendorfer, V. V. Bel’kov, D. A. Kozlov, N. N. Mikhailov, S. A. Dvoretsky, V. S. Varavin, V. G. Remesnik, S. A. Tarasenko, W. Knap, and S. D. Ganichev
PHYSICAL REVIEW MATERIALS 4, 043607 (2020)
IF 3.337

· Terahertz Magnetospectroscopy of Cyclotron Resonances from Topological Surface States in Thick Films of CdxHg1‐xTe
Maximilian Otteneder, Daniel Sacré, Ivan Yahniuk, Grigory V. Budkin, Kilian Diendorfer, Dmitry A. Kozlov, Ivan A. Dmitriev, Nikolay N. Mikhailov, Sergey A. Dvoretsky, Vasily V. Bel'kov, Wojciech Knap, Prof. Sergey D. Ganichev
Phys. Status Solidi B 2020, 2000023
IF 1.481

· Enhanced Sub-wavelength Focusing by Double-Sided Lens with Phase Correction in THz Range
M. Rachon, K. Liebert, D. B. But, P. Zagrajek,  A. Siemion, A. Kolodziejczyk, M. Sypek, J. Suszek
Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves
https://doi.org/10.1007/s10762-020-00696-0
IF 1.765

· Graphene Epoxy-Based Composites as Efficient Electromagnetic Absorbers in the Extremely High-Frequency Band
Zahra Barani, Fariborz Kargar, Konrad Godziszewski, Adil Rehman, Yevhen Yashchyshyn, Sergey Rumyantsev, Grzegorz Cywiński, Wojciech Knap, and Alexander A. Balandin
ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 25, 28635–28644
https://doi.org/10.1021/acsami.0c06729
IF 8.758

· Room-Temperature Amplification of Terahertz Radiation by Grating-Gate Graphene Structures
Stephane Boubanga-Tombet, Wojciech Knap, Deepika Yadav, Akira Satou, Dmytro B. But, Vyacheslav V. Popov, Ilya V. Gorbenko, Valentin Kachorovskii, and Taiichi Otsuji
Phys. Rev. X 10, 031004
IF 12.577

· Observation of Terahertz-Induced Magnetooscillations in Graphene
Moench, Erwin; Bandurin, Denis A.; Dmitriev, Ivan A.; Phinney, Isabelle Y.; Yahniuk, Ivan; Taniguchi, Takashi; Watanabe, Kenji; Jarillo-Herrero, Pablo; Ganichev, Sergey D.
NANO LETTERS   Volume: ‏ 20   Issue: ‏ 8   Pages: ‏ 5943-5950
doi:10.1021/acs.nanolett.0c01918
IF 11.238

· Graphene as a Schottky Barrier Contact to AlGaN/GaN Heterostructures
Maksym Dub, Pavlo Sai, Aleksandra Przewłoka, Aleksandra Krajewska, Maciej Sakowicz, Paweł Prystawko, Jacek Kacperski, Iwona Pasternak, Grzegorz Cywiński, Dmytro But, Wojciech Knap and Sergey Rumyantsev
MDPI Materials 2020, 13, 4140
https://doi.org/10.3390/ma13184140
IF 3.057

· Effect of ultraviolet light on 1/f noise in carbon nanotube networks
A.Rehman, S.Smirnov, A.Krajewska,D.B.But, M.Liszewska, B.Bartosewicz, K.Pavlov, G.Cywinski, D.Lioubtchenko, W.Knap, S.Rumyantsev
Materials Research Bulletin 134 (2021) 111093
DOI: 10.1016/j.materresbull.2020.111093
IF 4.019

· Generation-recombination and 1/f noise incarbon nanotube networks
A. Rehman,  A. Krajewska, B. Stonio, K. Pavlov,  G. Cywinski,  D. Lioubtchenko, W. Knap,  S. Rumyantsev,and  J. M. Smulko
Appl. Phys. Lett. 118, 242102 (2021);
https://doi.org/10.1063/5.0054845
IF 3.971

· Terahertz Sources Based on Emission from a GaAs/(Al,Ga)As Heterostructure at Cryogenic Temperatures
D. Yavorskiy, M. Szoła, T. Tarkowski, J. Wróbel, P. Nowicki, V. Umansky, W. Knap, and J. Łusakowski
PHYSICAL REVIEW APPLIED 16, 044001 (2021)
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.16.044001
IF 4.985