拓扑绝缘体肖特基结光电特性研究

摘要

拓扑绝缘体(topological insulator)是当下极为热门的一种新型材料。此类材料体态绝缘，而表面则呈导电的金属态。在自旋-轨道耦合相互作用下，表面电子态的自旋和动量是锁定的，受到时间反演对称性保护。拓扑绝缘体的体能隙大小是一个重要指标，能隙小则在制备过程中的本征掺杂会使其在体内容易产生大量载流子，影响对表面金属态的测量和应用。而硒化铋(Bi2Se3)是大能隙拓扑绝缘体典型的代表，其大小约为0.3eV。近年来的研究表明会有一些新奇的现象发生在拓扑绝缘体中。比如预言中的马约拉纳(Majorana)费米子，磁单极子等，并且其在未来的自旋电子学、量子计算等领域都有重大的应用价值。
　　本文从拓扑绝缘体的研究背景开始介绍，包括其发现历程和研究进展。探究了高质量Bi2Se3薄膜的制备过程，包括对衬底温度和元素束流比例的探索，并分析制得薄膜的质量，得到相对本实验室设备最适合的实验参数。本文在探索到合适的生长参数后，使用了各种各样的衬底，有Al2O3、Si、InP、Ge等，通过比较，发现使用分子束外延方法在各种衬底上生长出高质量Bi2Se3薄膜的衬底生长温度、束流比等条件基本一致。利用拓扑绝缘体Bi2Se3的表面金属性的性质，本文在半导体锗上制备了Bi2Se3薄膜，锗与硒化铋之间形成肖特基结，根据肖特基结对入射光响应的原理对肖特基结的工作机理进行了深入分析讨论;本文对硒化铋-锗肖特基结进行了电输运和不同波长下的光响应测试，探究了锗衬底对Bi2Se3薄膜的电输运和光响应的影响，发现Bi2Se3的光响应在红外区最大，在可见光部分稍小，在紫光下几乎无响应;通过对样品的降温处理，本文研究了180～300K的温度范围内异质结的响应情况，发现样品对外加激光始终有稳定的响应，且温度越低样品的光响应特性越好。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 霍尔效应

1．1．1 量子霍尔效应

1．1．2 量子反常霍尔效应

1．1．3 量子自旋霍尔效应

1．2 三维拓扑绝缘体

1．3 拓扑绝缘体光电方面的研究进展

1．3 本文主要内容

第二章 实验设备和原理

2．1 分子束外延的实验原理

2．1．1 真空泵系统

2．1．2 冷却系统

2．1．3 不间断电源系统

2．1．4 传样系统

2．1．5 外延生长系统

2．1．6 表征监测系统

2．2 使用分子束外延法制备高质量Bi2Se3薄膜

2．2．2 衬底选择及清洗

2．2．3 传送样品

2．2．4 衬底除气

2．2．5 外延生长

2．2．6 传出样品

2．3 肖特基结光电探测器基本原理

2．4 测试与辅助设备

2．4．1 电子束蒸镀设备

2．4．2 4200-SCS型半导体特性分析系统

2．4 本章小结

第三章 高质量Bi2Se3薄膜的参数设计及分析

3．1 实验准备

3．1．1 实验材料及设备

3．1．2 衬底预处理

3．2 实验方案

3．3 实验过程

3．4 不同参数结果分析

3．4．1 不同温度下的测试结果分析

3．4．2 不同流量比的测试结果分析

3．4．3 不同衬底的测试结果分析

3．5 本章小节

第四章 Bi2Se3-Ge肖特基结的光电性能的研究

4．1 硒化铋-锗光电探测器的制作

4．2 电输运性质

4．3 肖特基结的光响应

4．3．1 波长对光电性能的影响

4．3．2 温度对光电性能的影响

4．3．3 功率对光电性能的影响

4．4 肖特基结性能参数分析

4．4．1 响应度

4．4．2 开关比

4．4．3 探测率

4．4．4 响应时间

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况