拓扑绝缘体Bi2Se3薄膜的实验制备与表征及其电输运性质研究

摘要

拓扑绝缘体作为一种新型量子功能材料，其内部是绝缘态，表面则是无能隙的金属态。时间反演对称性使这种金属性的表面态不受非磁性杂质和缺陷的影响，其载流子为无质量的狄拉克费米子，动量和自旋是锁定的。因此，表面态的载流子可以无散射传输。拓扑绝缘体薄膜是一种新型准二维晶体，不仅可以借助它来探索一些新奇的物理现象，如表面或界面的临近相互作用，而且在新型纳米电子器件、自旋电子器件和光子器件等方面有巨大的应用前景。
　　由于具有依靠范德瓦尔斯力形成的层状结构和较大的体带隙，近些年，基于Ⅴ/Ⅵ族的拓扑绝缘体Bi2Se3薄膜一直是物理学、材料科学和纳米电子学交叉研究的热门体系之一。本论文利用分子束外延设备在蓝宝石衬底上生长Bi2Se3薄膜、掺杂Mn的Bi2Se3薄膜及其异质薄膜，并对薄膜样品的结构进行一些表征，研究了薄膜的电输运特性，相关工作按照下面三个方面展开:
　　首先，制备高质量的Bi2Se3薄膜是研究其性质的前提，其中合适的衬底温度和元素束流比对生长高质量的薄膜至关重要。本论文通过改变衬底温度以及Se和Bi束流比，制备不同的薄膜样品，根据对薄膜样品的RHEED、XRD、AFM和EDS等表征结果分析衬底温度和元素束流比等条件对薄膜生长质量的影响，获得Bi2Se3薄膜最优的生长条件。研究结果表明，蓝宝石衬底温度设定为390℃并保持Se和Bi束流比为10∶1时获得Bi2Se3薄膜样品表面平整、成分接近理想配比、结晶质量较好。
　　其次，在前面获得的最优条件下，制备Bi2Se3和掺杂Mn的Bi2Se3薄膜，对比研究Bi2Se3薄膜和掺Mn的Bi2Se3薄膜的电学性质。对Bi2Se3薄膜的电输运性质进行测量:(1)薄膜样品纵向电阻（ρxx）在25-300K范围，随着温度降低而降低，表现出金属导电行为;而在在2K-25K范围，薄膜电阻随着温度的降低电阻几乎不发生变化，表明静态无序是体系主要的散射机制;(2)在不同的测量温度下和外加磁场下，特别是低温下低场区，纵向电阻（ρxx）随着磁场的增大而增加，即正磁阻现象;(3)横向电阻（ρxy）随着磁场的变化的斜率为负值，表明薄膜为n型导电特性。结果表明，所制备的Bi2Se3薄膜为n型拓扑绝缘体。与Bi2Se3薄膜相比，对于掺Mn的Bi2Se3薄膜，随着Mn的掺杂量的增加，替换Bi掺杂和层间掺杂共同决定了薄膜的电子结构和电学性能。
　　最后，在最优条件下制备基于Bi2Se3和掺Mn的Bi2Se3构成的异质结构薄膜，研究异质衬底对薄膜电学性能的影响，结果表明界面间的相互作用改变了Bi2Se3拓扑绝缘体的输运特性。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 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

1．2．3 量子反常霍尔效应

1．3 拓扑绝缘体

1．4 论文的主要工作安排

第二章 实验原理与相关设备

2．1 真空原理

2．1．1 真空概念

2．1．2 真空的获取

2．1．3 真空测量

2．2 分子束外延技术

2．3 反射高能电子衍射仪技术

2．4 电子束蒸镀系统

2．5 X射线衍射仪

2．6 场发射扫描电子显微镜(FESEM)

2．7 原子力显微镜

2．8 综合物性测量系统

第三章 Bi2Se3拓扑绝缘体薄膜的制备和性能分析

3．1 研究背景

3．2 拓扑绝缘体的制备方法

3．2．1 脉冲激光沉积法(PLD)

3．2．2 化学气相沉积法(CVD)

3．2．3 金属有机物化学气相法(MOCVD)

3．2．4 分子束外延法(MBE)

3．3 实验

3．3．1 所需实验材料及设备

3．3．2 实验材料的预处理

3．3．3 薄膜生长过程

3．3．4 电极制备过程

3．4 Bi2Se3薄膜表征和性能测试方法

3．5 不同衬底温度的样品比较

3．5．1 不同衬底温度样品的平整度分析

3．5．2 不同衬底温度样品的表面形貌分析

3．5．3 不同衬底生长温度样品的晶体结构分析

3．5．3 不同衬底温度样品的组分分析

3．6 不同Se：Bi束流比的样品比较

3．6．1 不同束流比样品的平整度分析

3．6．2 不同束流比样品的晶体结构分析

3．6．3 不同束流比Bi2Se3薄膜样品的组分分析

3．7 典型样品的分析

3．7．1 表面形貌与成分

3．7．2 物相分析

3．7．3 电输运性质分析

3．8 本章小结

第四章 掺杂Mn元素对Bi2Se3拓扑绝缘体的影响

4．1 研究背景

4．2 实验过程

4．3 Bi2-xMnxSe3薄膜表征测试方法

4．4 结果与分析

4．4．1 Mn元素含量的确定

4．4．2 Bi2-xMnxSe3样品的平整度和表面形貌分析

4．4．3 Bi2-xMnxSe3样品的XRD分析

4．4．4 Bi2-xMnxSe3样品的电输运性质分析

4．5 本章小结

第五章 异质结薄膜的制备和性能测试

5．1 研究背景

5．2 实验过程

5．3 Bi2Se3／Bi1．9Mn0．1Se3薄膜表征和测试方法

5．4 测试结果和讨论

5．4．1 样品的表面平整度分析

5．4．2 物相分析

5．4．3 电输运学性质分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况