Li,Ir,Pb掺杂拓扑绝缘体Bi2Se3及其与FeSe复合结构特性的研究

摘要

近些年来，拓扑绝缘体和超导材料已经成为物理学研究领域中的热点。拓扑绝缘体(TIs)是体内绝缘，表面态呈现为金属导电性，表面态因受时间反演对称的保护而不易被一般杂质干扰。Bi2Se3体内具有较大的带隙和相对简单的能带结构，其布里渊区只有一个狄拉克锥，因为这些优良性质使得Bi2Se3在众多的拓扑绝缘体中脱颖而出。在拓扑绝缘体材料中引入铁磁序，可以破坏表面态，诱导出自旋-轨道耦合的带隙，实现反常量子霍尔效应，人们可以利用这一物理现象来制备各种量子元器件。反常量子霍尔效应已经在2013年被证实存在，但是小带隙和低居里温度都会极大影响其在实验中的观察，所以科研工作者们需要继续探索找出能实现高温反常量子霍尔效应的材料。
　　超导材料因其具备抗磁性、零电阻和约瑟夫森效应而具有极大的发展潜力。近些年来发现的铁基超导材料，其零电阻转变温度超过了由BCS理论所推导的极限值，因而吸引了人们很大的关注。FeSe具有简单的化学式，在实验室中容易制备，不含有毒重金属元素，这些特点使其受到广泛研究。拓扑绝缘体与超导材料构成的异质结中可能会发现马约拉纳(Majorana)费米子，从而有望实现量子计算机的研发应用。基于以上情况，全文内容分成两部分:
　　第一部分研究元素Li、Ir、Pb分别掺杂Bi2Se3的性能。在金属Li掺杂Bi2Se3的系列样品中，所有掺杂样品在低温区都出现了金属-绝缘转变，表面态电导在低温区占主导地位;少量的金属Li能抑制声子散射作用，而高浓度的Li则会加强声子散射;磁化率随磁场变化曲线中，样品的磁性发生了明显的变化，磁性由纯Bi2Se3的抗磁性转变为掺杂后的铁磁性，说明Li掺杂Bi2Se3能诱导出铁磁性。在Ir、Pb掺杂Bi2Se3的样品中，所有样品都是六方晶系的层状结构;少量掺杂时主要替代Bi，高掺杂量时有少量的原子插入Bi2Se3的原子层间;电阻率随掺杂量的增加先升高后降低。
　　第二部分制备FeSe与Bi2Se3的复合样品。在以Bi2Se3为主体的系列样品中，样品都呈现为弱金属导电;掺杂量高(7wt％)的样品在测试温区内的磁电阻值为负;所有样品都呈现出铁磁性，随着掺杂量FeSe的增多，磁性明显加强;样品中的磁性来源主要是磁性Fe-Se化合物。在以FeSe为主体的样品中，零电阻转变温度Tc,0随掺杂浓度的增加先变大后变小;高场和低场下的磁性测试表明，所有样品中同时存在铁磁相和超导相，样品中的抗磁性随掺杂量的增多先增强后减弱。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 自旋电子学

1．2 Hall效应

1．2．1 自旋Hall效应

1．2．2 量子自旋Hall效应

1．3 拓扑绝缘体

1．4 Bi2Se3研究现状

1．5 超导体

1．5．1 超导材料的基本特性

1．5．2 FeSe超导体

1．6 本文思路及主要内容

第2章 样品制备和测试手段

2．1 样品制备

2．1．1 Bi2Se3的掺杂样品制备过程

2．1．2 Bi2Se3与FeSe复合样品的制备

2．2 样品测试手段

2．2．1 X射线衍射仪

2．2．2 激光拉曼光谱仪

2．2．3 扫描电子显微镜

2．2．4 等离子体发射光谱仪

2．2．5 电输运分析

2．2．6 磁性能分析

2．3 本章小结

第3章 Li、Ir、Pb掺杂Bi2Se3的性能研究

3．1 引言

3．2 Li掺杂Bi2Se3的性能研究

3．2．1 Li掺杂Bi2Se3样品的制备

3．2．2 Li掺杂Bi2Se3样品的结构分析

3．2．3 Li掺杂Bi2Se3样品的微观形貌分析

3．2．4 Li掺杂Bi2Se3样品的电磁输运特性分析

3．2．5 Li掺杂Bi2Se3总结

3．3 Ir掺杂Bi2Se3的性能研究

3．3．1 Ir掺杂Bi2Se3样品的制备

3．3．2 Ir掺Bi2Se3样品的结构和形貌分析

3．3．3 Ir掺杂Bi2Se3的电输运行为分析

3．3．4 Ir掺杂Bi2Se3总结

3．4 Pb掺杂Bi2Se3的性能研究

3．4．1 Pb掺杂Bi2Se3样品的制备

3．4．2 Pb掺杂Bi2Se3样品的结构和形貌分析

3．4．3 Pb掺杂Bi2Se3样品的电输运行为分析

3．4．4 Pb掺杂Bi2Se3总结

3．5 本章小结

第4章 Bi2Se3与FeSe复合样品的研究

4．1 引言

4．2 Bi2Se3为主体复合样品的性能分析

4．2．1 Bi2Se3为主体复合样品的制备

4．2．2 FeSe多晶样品性能分析

4．2．3 Bi2Se3为主体复合样品的结构和形貌分析

4．2．4 Bi2Se3为主体复合样品的电磁输运性质

4．3 FeSe为主体复合样品的性能研究

4．3．1 FeSe为主体复合样品的制备

4．3．2 FeSe为主体复合样品的性能分析

4．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果