多元醇法合成拓扑绝缘体纳米材料及其生长机理研究

摘要

拓扑绝缘体被发现之后，逐渐成为材料学科及凝聚态物理研究的热点。目前研究最多的拓扑绝缘体是硒化铋和碲化铋，它们的表面呈现金属态，而内部表现为绝缘态。在费米能级处，它们拥有能隙，这点与绝缘体的能带结构类似。然而，在它的表面，却存在无质量的狄拉克型电子态，从而表现出金属性。由于受到时间反演对称性的保护，电子在拓扑绝缘体表面流动时不会受到杂质或者缺陷的背反射，使得传输能耗降低甚至没有能耗，这点对于低能耗电子器件的制备、容错量子计算机的发展有着潜在的意义。
　　尽管拓扑绝缘体领域涌现出大量的理论工作，预言了诸多新奇的性质，但是实验方面发展却一直落后于理论，原因主要有两点:第一，高质量的拓扑绝缘体样品难以制备出来，目前通过高温烧结法所制备的样品往往缺陷密度大且被严重掺杂，使得体态载流子浓度很高，从而掩盖了表面态。第二，对于拓扑绝缘体材料，它们难以制备成低维、纳米、异质结或器件，这也大大的限制了该领域的发展。
　　由此可知，高质量的拓扑绝缘体纳米材料的制备是该领域发展的关键。基于形貌对于材料光学、电学等诸多性质的调控作用，合成不同形貌的拓扑绝缘体纳米材料势必能推动该领域的持续发展。本论文中，我们使用多元醇法制备出了多种形貌的硒化铋和碲化铋纳米材料，并探讨了它们的形成机理。本论文总共分为四个章节，主要内容如下:
　　在第一章中，我们简述了拓扑绝缘体的基本性质，并对目前主要的制备方法、相关谱学以及应用进行了讨论。
　　在第二章中，基于对经典晶体生长理论的认识，我们通过对反应体系过饱和度的调控，制备出了三种不同形貌的硒化铋纳米材料，包括螺旋状、平滑片状及枝状结构的硒化铋纳米材料。机理研究表明，在低过饱和度条件下，缺陷能诱导产生硒化铋颗粒所依附生长的台阶，从而形成螺旋状纳米片。在中间过饱和度的情况下，非晶硒化铋小颗粒的聚合和随后的再结晶产生了平滑的纳米片。而在高过饱和度条件下，多晶硒化铋的晶核先产生，随后进行各向异性的生长，从而形成了枝状结构的纳米材料。
　　在第三章中，我们借鉴了螯合剂辅助的方法，加入乙二胺四乙酸到反应中，获得了多种拥有特殊边界的硒化铋新结构。由于乙二胺四乙酸对前驱体铋离子有着强烈的螯合作用，反应过程中自由铋离子的浓度下降，从而影响了后续的生长。我们在对实验结果进行分析后发现，位错源和适宜的低过饱和度是位错驱动的螺旋生长的必要条件。如果位错源产生，而过饱和度偏高，晶种上的台阶将作为支持位点生长外延层。
　　在第四章中，我们主要介绍了碲化铋纳米材料的合成，并初步探讨了拓扑绝缘体跟金属形成的异质结体系。在碲化铋的合成中，氢氧化钠发挥了关键的作用。对于拓扑绝缘体跟金属形成的异质结，我们以硒化铋跟金形成的异质结为例，阐释了晶种介导生长的思路。
　　在第五章中，我们总结了本文的工作，并展望了该领域的进一步发展。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 拓扑绝缘体材料简介

1．3 拓扑绝缘体材料合成现状

1．3．1 化学制备方法

1．3．2 物理制备方法

1．4 拓扑绝缘体的谱学研究

1．4．1 角分辨光电子能谱

1．4．2 拉曼光谱

1．4．3 红外近场光学表征

1．5 拓扑绝缘体的应用研究

1．5．1 热电应用

1．5．2 电输运测量

1．5．3 癌症治疗

1．5．4 电化学

1．5．5 近红外透明柔性电极

1．5．6 超快光谱和超导

1．6 本论文研究的内容及结果

参考文献

第二章 基于晶体生长理论调控合成硒化铋纳米材料

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂

2．2．2 合成方法

2．2．3 仪器设备

2．3 结果与讨论

2．3．1 样品的结构表征

2．3．2 机理研究

2．3．3 光电性能探测

2．4 本章小结

参考文献

第三章 基于螯合剂辅助法调控合成硒化铋纳米材料

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂

3．2．2 合成方法

3．2．3 仪器设备

3．3 结果与讨论

3．3．1 样品的结构表征

3．3．2 机理研究

3．4 本章小结

参考文献

第四章 碲化铋及拓扑绝缘体相关异质结材料的合成探索

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂

4．2．2 合成方法

4．2．3 仪器设备

4．3 结果与讨论

4．3．1 碲化铋材料的结构表征与机理讨论

4．3．2 硒化铋跟金异质结的表征与讨论

4．4 本章小结

参考文献

第五章 总结和展望

致谢

在读期间取得的研究成果