ZnO纳米线的界面掺杂调控及BP/InSe异质结的偏振光电响应

摘要

低维体系由于载流子波函数在某些维度方向上受限,导致出现小尺寸效应、表面效应、量子隧穿、库伦阻塞等效应,进而会显著影响体系的力学、光学、电学和热学性能。同时,由于低维体系具有较大的比表面积,在构成器件时形成的界面也会对器件性能产生重要影响。因此,对低维体系性质的探索,不仅可以拓宽对未知领域的理解,还对未来器件的设计与优化起到至关重要的作用。本论文中,我们将以一维ZnO纳米线和二维层状材料(黑磷、InSe和Bi2Te3)为例,围绕界面掺杂调控对ZnO纳米线量子输运性能的影响、黑磷/InSe二维异质结构的光电特性以及Bi2Te3二维薄片的生长调控和输运特性等方面开展研究,主要内容如下:
　　在第一章中,我们首先以一维ZnO纳米线和二维层状材料为例,介绍了低维材料的结构、生长方法以及它们的光学、电学和光电性能等方面的研究进展。然后,我们阐述了本论文的研究意义以及内容概要。
　　在第二章中,我们通过二次生长和界面包裹AlxOy的办法,成功制备了界面Al掺杂和界面本征掺杂的ZnO纳米线。研究发现,界面本征掺杂的ZnO纳米线呈现半导体特性,而界面Al掺杂可以将纳米线从半导体性调控为金属性。在界面本征掺杂和界面Al掺杂样品中都观察到准二维的弱局域化效应。更有趣的是,在界面Al掺杂的ZnO纳米线中,我们还发现了准二维的普适电导涨落现象。这些现象揭示了纳米尺度的闭合导电曲面独特的量子相干输运行为。由于界面Al掺杂的ZnO纳米线中的电子-声子散射被显著抑制,弱局域化效应和普适电导涨落得到的低温下电子的退相干长度Lψ可超过100nm,比界面本征掺杂纳米线的Lψ提高了至少5倍。此外,我们还在界面层闭合曲面直径与退相干长度相当的样品中,观察到显著的AAS振荡效应,进一步证明了纳米线中存在闭合的桶状导电界面层。
　　在第三章中,我们通过机械剥离-堆叠的办法制备了BP/InSe垂直p-n异质结。在暗场下,我们发现该异质结呈现整流特性并受到栅压的调控。由于BP的各向异性光吸收特性,该器件的光电流显著依赖于激发光的偏振方向,最大偏振比可达0.83,远大于已报道的纯BP光电晶体管的偏振比。这一结果可归结为我们制备的p-n异质结可以有效地降低BP中光生载流子的复合几率。此外,由于多层BP和InSe均为较小带隙的直接带隙半导体,且本征载流子迁移率较高,导致BP/InSe异质结的光电探测器件具有宽谱(可见-近红外)的光响应和很快的光响应速率(20-30ms)。我们还观察到BP/InSe异质p-n结具有光伏特性,其光电流、响应度和外量子效率也可由栅压进行进一步调控。
　　在第四章中,我们用气相沉积的办法分别在氟晶云母衬底和氧化硅衬底上生长出不同Sb掺杂浓度的(BixSb1-x)2Te3薄片,并且通过改变衬底温度和生长气压实现了样品成核密度、尺寸和厚度的调控。此外,通过二次生长的办法,我们生长出砚台形(BixSb1-x)2Te3/Sb2Te3异质结。我们对生长的Bi2Te3薄片的输运性质进行了较为系统的研究,观察到Bi2Te3薄片具有金属-半导体转变导电特性和反弱局域化效应,数据拟合表明Bi2Te3薄片有上下两个不相互耦合的二维表面态。此外,我们通过改变磁场方向的磁阻测量,进一步证实了反弱局域化效应来源于Bi2Te3二维拓扑表面态。最后我们在2K下观测到了Shubnikov-de Haas振荡,进而证实了Bi2Te3薄片是非平庸拓扑绝缘体,且存在拓扑表面态狄拉克费米子。
　　在第五章中,我们提出了目前低维材料体系研究中的问题和挑战,并对未来拟开展的工作进行了展望。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 低维材料介绍

1．2．1 一维ZnO纳米线

1．2．2 二维层状材料

1．3 低维体系的输运性质

1．3．1 弱局域化效应

1．3．2 反弱局域化效应

1．3．3 普适电导涨落

1．3．4 AB和AAS量子振荡

1．3．5 Shubnikov-de Haas振荡

1．4 二维异质结构的光电特性

1．4．1 二维异质结构的光学特性

1．4．2 二维异质结构的电学特性

1．4．3 二维异质结构的光电特性

1．5 本论文的研究内容

参考文献

第2章 界面Al掺杂ZnO纳米线中电子的相位相干输运行为及调控

2．1 引言

2．2 样品制备及表征

2．2．1 界面铝掺杂和界面本征掺杂的氧化锌纳米线的制备

2．2．2 纳米线的表征及测量仪器

2．2．3 纳米线的形貌

2．2．4 纳米线的结构和成分表征

2．2．5 纳米线器件形貌及参数

2．3 纳米线输运性质的测量和分析

2．3．1 界面本征掺杂和界面铝掺杂ZnO纳米线变温输运

2．3．2 样品磁输运的测量与分析

2．4 样品中电子的退相干机制

2．5 本章小结

参考文献

第3章 黑磷-硒化铟异质结的光电特性

3．1 引言

3．2 InSe的制备及扫描光电流谱

3．2．1 InSe晶体和器件的制备

3．2．2 样品的表征

3．2．3 InSe的扫描光电流谱

3．3 黑磷／InSe垂直p-n结的高偏振敏感和快速的光响应

3．3．1 样品和器件的制备及表征

3．3．2 异质结的整流特性

3．3．3 异质结的偏振依赖光响应

3．3．4 异质结的宽谱、快速和高效的光响应特性

3．3．5 栅压可调控的异质结光电响应特性

3．3．6 异质结的光伏特性

3．4 BP／InSe异质p-n结中的隧穿机制

3．5 本章小结

参考文献

第4章 (Bi1-xSbx)2Te3薄片的制备及Bi2Te3的输运特性

4．1 引言

4．1．1 Bi2X3型拓扑绝缘体的生长

4．1．2 Bi2X3型拓扑绝缘体的输运特性

4．2 Bi2Te3和(BhSbx)2Te3二维薄片的可控制备及表征

4．2．1 氟晶云母上外延生长Bi2Te3二维薄片及表征

4．2．2 SiO2为衬底外延生长Bi2Te3二维薄片及表征

4．2．3 二维层状材料为衬底外延生长Bi2Te3二维薄片

4．3 Sb掺杂的(Bil-xSbx)2Te3二维薄片的制备及表征

4．3．1 (Bi1-xSbx)2Te3二维薄片的制备及表征

4．3．2 (BixS1-x)2Te3／Sb2Te3异质结的制备及表征

4．4 半导体性Bi2Te3薄片的相位相干输运特性

4．4．1 样品和器件的制备

4．4．2 Bi2Te3薄片的相位相干输运特性

4．5 本章小结

参考文献

第5章 展望

致谢

攻读博士期间发表论文情况