拓扑绝缘体材料纳米结构的制备及其光电子器件的研究

摘要

拓扑绝缘体是一种具有特殊电子状态的新型半导体材料，最近几年吸引了科学家们的广泛关注。与传统半导体不同，拓扑绝缘体材料体内在费米能级处存在带隙，是一种绝缘体；然而在表面存在能够穿越带隙的狄拉克型电子，因而导致它的表面或界面是一种类金属态。这种特殊的电子状态使拓扑绝缘体具有很多不同寻常的优异性能。同时一维半导体纳米线与二维半导体薄膜具有独特的光电特性，因而可将拓扑绝缘体一维和二维纳米结构用于光电子器件的研究。然而，目前关于拓扑绝缘体材料的研究还主要集中在其物理性质方面如电子态，磁阻性质方面的研究等，对其光电器件的研究还处于起步阶段。因此对其光电器件的研究也是目前国际研究的热点之一。本文利用气相沉积法制备了高质量的拓扑绝缘体材料单晶纳米线和多晶薄膜，进而构筑了基于纳米线/硅和薄膜/硅的高性能光电探测器。
　　本研究主要内容包括：⑴硒化铋拓扑绝缘体单晶纳米线控制合成及其异质结光电探测器：首先在衬底Si上蒸镀10 nm Au作为纳米线生长的催化剂，然后利用气相沉积法在衬底上制备出大面积的硒化铋纳米线。再对基底二氧化硅进行光刻、蒸镀电极、二次光刻、反应离子刻蚀去掉氧化层，从而得到金电极与Si的插指状结构。然后将纳米线转移至基底上，再打磨基底背面用铟镓合金引出电极，从而构筑了硒化铋纳米线/硅的光电探测器器件。经过测试发现器件具有很好的器件性能如较高的响应度、较快的响应时间以及紫外-近红外的宽光谱响应特性和较好的稳定性等。硒化铋纳米线/硅异质结构在光电探测器上的应用表明拓扑绝缘体一维纳米材料在光电子器件方面具有很大的应用前景。⑵碲化锡拓扑绝缘体薄膜大面积合成及其自驱动光电探测器：利用气相沉积法，在管式炉里成功的制备出了碲化锡薄膜样品。该方法可实现薄膜的大面积制备，同时薄膜的结晶性较好且制备过程方便。利用模板辅助溶液刻蚀法在氧化硅基底上开窗口并在窗口处的Si上直接生长碲化锡薄膜，再经引出电极后，成功制备出了SnTe/Si异质结光电探测器。SnTe/Si异质结器件在0V及-1V偏压下都具有较高的开关比和较快的响应速度。同时器件具有一定的光伏效果，因而可用于自驱动光电探测器件。另外器件在紫外至近红外的宽波段均具有较好的响应性能，而且本工作中还得到了高达4×1012cmHz1/2W-1的探测度以及8μs的响应速度，此性能在目前关于拓扑绝缘体材料的报道中均是最高。基于SnTe/Si异质结光电探测器的优异性能，预示着拓扑绝缘体材料在快速响应和高探测度的光电探测器上有着巨大的应用潜力。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 拓扑绝缘体材料概述

1.2.1拓扑绝缘体材料的制备与表征

1.3 光电探测器概述

1.3.1 光电探测器的原理及分类

1.4 本论文的研究内容与意义

1.5参考文献

第二章 基于拓扑绝缘体Bi2Se3纳米线与Si异质结的高效宽光谱光电探测器

2.1引言

2.2 实验部分

2.2.1硒化铋纳米线的合成与表征

2.2.2 硒化铋纳米线/硅异质结的合成与测试

2.3 实验结果与讨论

2.3.1 硒化铋纳米线的表征

2.3.2 硒化铋纳米线/硅异质结的结构表征

2.3.3硒化铋纳米线/硅异质结的光电探测器测试结果分析

2.3.4 硒化铋纳米线/硅异质结的机理分析

2.4 本章小结

2.5 参考文献

第三章 基于拓扑晶体绝缘体SnTe与Si异质结的高效宽光谱光电探测器

3.1引言

3.2 实验部分

3.2.1碲化锡的合成与表征

3.2.2 碲化锡薄膜/硅异质结的合成与测试

3.3 实验结果与讨论

3.3.1 碲化锡薄膜的表征

3.3.2 碲化锡薄膜/硅异质结的结构表征

3.3.3碲化锡薄膜/硅异质结的光电器件结果分析

3.4 本章小结

3.5 参考文献

总结与展望

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文

致谢