基于Bi2Se3拓扑绝缘体薄膜器件的光电性能研究

摘要

硒化铋(Bi2Se3)是一种拓扑绝缘体材料，其体态为绝缘态，而表面为金属态。由于自旋轨道耦合，表面电子态的自旋和动量是锁定，受时间反演对称性保护。因此，Bi2Se3在自旋电子器件、光电子器件和量子计算等领域都有潜在的应用前景。
　　本文首先介绍了拓扑绝缘体概况，包括拓扑绝缘体概念及其研究现状。接着从拓扑绝缘体的制备开始，详细介绍了高质量Bi2Se3薄膜生长的探索过程。首先保持元素的束流比例、薄膜的生长时间等条件不变，通过改变生长温度来制备并分析薄膜的生长质量，得到最合适的生长温度;随后保持上述生长温度不变，通过改变Bi与Se的束流比得到了硒化铋薄膜生长的最合适的流量比例。结果表明，通过分子束外延方法在Al2O3和Si衬底上生长高质量硒化铋薄膜的衬底生长温度、束流比例等条件基本一致。
　　随后本文对在Si衬底上制备的硒化铋薄膜与衬底所形成的异质结构进行了电输运和光响应测试，本文认为，拓扑绝缘体的表面金属性使硒化铋与硅异质界面形成肖特基接触，而硒化铋体态的半导体性质，使其与硅形成PN结型接触，以PN结的工作原理详细研究了硅衬底对硒化铋薄膜的电输运以及光响应的影响。结果表明，在980nm波长的光照下，内在的异质结结构会产生光伏效应，使硒化铋的光响应变大。
　　本文制备了硒化铋-硅异质结，根据肖特基结对光响应的原理对硒化铋-硅异质结的工作机理进行了深入分析讨论;接下来测试了此异质结对不同波长光的响应以及对其高频性能分析。本文发现，在相同温度以及相同光功率下，异质结对波长980nm的红外光响应最大，对可见光的响应相较小，而对紫外光的响应几乎为零。随后测量并分析了不同温度对硒化铋-硅异质结的光电性能的影响，发现在290K-180K的温度范围内异质结对波长980nm的光始终能保持稳定的响应度。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 整数量子霍尔效应

1．2 量子反常量子霍尔效应

1．3 第一代拓扑绝缘体

1．4 第二代拓扑绝缘体

1．4 拓扑绝缘体在光电方面的研究进展

1．5 本文主要内容

第二章 实验原理与实验过程

2．1 分子束外延的实验原理

2．1．1、真空系统

2．1．2 传样系统

2．1．3、除气系统

2．1．4、外延生长系统

2．1．5、测量监测系统

2．1．6、冷却降温系统

2．2 分子束外延方法制备Bi2Se3薄膜实验过程

2．2．1 衬底的选择与处理

2．2．2 基板与衬底的传送

2．2．3 高温除气

2．2．4 外延生长

2．2．5 传出样品

2．3 本章总结

第三章 Bi2Se3薄膜的晶体质量测试分析及改进

3．1 测试方法与原理

3．2 衬底温度对晶体质量的影响

3．2．1 实验方案与过程

3．2．2 不同生长温度样品的RHEED图像比较

3．2．3 不同生长温度样品的场发射扫描电子显微镜测试比较

3．2．4 不同生长温度样品的原子力显微镜测试

3．2．5 不同生长温度样品的物相分析

3．3 不同束流比对硒化铋薄膜质量的影响

3．3．1 不同束流比样品的反射式高能电子衍射仪图像比较

3．3．2 不同束流比样品的场发射扫描电子显微镜测试比较

3．3．3 不同束流比样品的原子力显微镜测试比较

3．3．4 不同束流比样品的物相分析

3．3．5 不同束流比样品的元素成分分析

3．4 本章总结

第四章 拓扑绝缘体Bi2Se3的光电性能的研究

4．1 拓扑绝缘体硒化铋的光电性能的研究

4．1．1 硒化铋光电导型光电探测器的制作

4．1．2 拓扑绝缘体硒化铋的光电性能测试及分析

4．2 硅衬底上硒化铋的光电性能研究

4．2．1 硅衬底上硒化铋的电输运研究

4．2．2 硅衬底上硒化铋光电响应的原理分析

4．2．3 硅衬上硒化铋的光响应分析

4．2．4 温度对硒化铋光电性能的影响

4．2．5 硒化铋的响应速度测试

4．3 本章总结

第五章 硒化铋-硅异质结的光电性能研究

5．1 硒化铋-硅异质结的制作原理及过程

5．1．1 异质结的原理与材料的选取

5．1．2 异质结的制备与测试

5．2 硒化铋-硅异质结的光电性能测试及分析

5．2．1 硒化铋-硅异质结光电测试分析

5．2．2 硒化铋-硅异质结的光响应分析

5．2．3 硒化铋-硅异质结对不同功率的红外光响应的测试分析

5．2．4 硒化铋-硅异质结对不同波长的光响应及分析

5．2．5 温度对硒化铋-硅异质结光电性能的影响

5．3 本章总结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况