拓扑绝缘体肖特基结光电特性研究

发布时间：2020-06-14 17:36

【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(Bi_2Se_3)是大能隙拓扑绝缘体典型的代表,其大小约为0.3 eV。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Bi_2Se_3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Al_2O_3、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Bi_2Se_3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Bi_2Se_3的表面金属性的性质,本文在半导体锗上制备了Bi_2Se_3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Bi_2Se_3薄膜的电输运和光响应的影响,发现Bi_2Se_3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180~300 K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。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O413;TB34
【图文】：

示意图,绝缘体,导体,示意图

同于一般金属的导电态，普通金属的表面态是由悬挂键或者表面重构引起的，而拓扑绝缘体的表面态是不受背散射影响且自旋动量锁定的，它受到时间反演对称性保护[1-2]。遗憾的是目前制备出的拓扑绝缘体中都不可避免出现了大量的本征缺陷，使得体内呈较高的导电性。在二十世纪八十年代以前，人们发现 Laudau 的对称性自发破缺原理可以用来理解不同的量子态，比如，空间平移对称性的破坏对应晶体；空间旋转对称性的破坏对应铁磁体；规范对称性的破坏则对应超导体。量子霍尔效应，包括整数量子霍尔效应（IQHE）和分数量子霍尔效应（FQHE）的发现，使对称性自发破缺原理受到挑战，人们无法用其解释量子霍尔态。要想理解量子霍尔态必须引入拓扑序（topologicalorder）的概念，因此，量子霍尔态也被称为拓朴相（topologicalphase）。在量子霍尔系统中，某些特定的量(比如霍尔电导率，基态简并度等)，除非体内能隙关闭产生了量子相变，否则不受到杂质、无序、相互作用等微量扰动的影响。与普通绝缘体不同的使，虽然量子霍尔态的体态也同样具有能隙，但它还具有受到拓扑保护的无能隙的边缘态，该边缘态是导电的。

原理图,霍尔效应,原理图

尔效应尔效应是一种电磁效应，是由美国科学家霍尔研究金属的电输运行为时当半导体中有电流通过时，在垂直于电流的方向上施加磁场，会使得半导流子受到洛伦兹力而定向运动，电子与空穴运动的方向相反，在特定方位形成内部电场，电势差就是霍尔电压[4]。当载流子聚集到一定程度，电场洛伦兹力相平衡，载流子不再集中，此时后来的载流子受到磁场对其产生力会被电场力的作用抵消，使得后来的载流子能不产生偏移的通过，这个为霍尔效应。如图 1.2 所示，电流沿 x 轴方向，外加磁场为 z 轴方向，根旋定则，半导体内空穴受到一个沿 y 轴正半轴方向的洛伦兹力，电子则的力。所以半导体上边缘聚集了很多带正电荷的空穴，而在下部分相对的多带负电荷的电子，正负电荷之间产生一个电势差 EH，即为霍尔电压，阻和磁场强度是线性关系。根据霍尔效应，人们制备出许多具有相应功能件，霍尔器件的一个主要应用就是通过检测磁场强度的变化，得到相应的，然后控制相对应的控制单元，可用于预警、测量等功能。

【参考文献】