α-Sn单晶薄膜的外延生长和物性研究

发布时间：2020-10-14 06:03

　　 锡是一种常见金属,具有不同的相,α相的锡因为热稳定的原因,与相对稳定的β相相比,研究相对较少。近年来随着量子计算的炙手可热,拓扑绝缘体材料和狄拉克半金属材料被广泛关注。拓扑表面态有着非常重要的应用,尤其是在基础科学研究方面,其是全新的物理概念、现象和效应,在下一代电子技术方面,有革新性的进展。有研究表明,α-Sn是一种具有拓扑表面态的材料,面内不同的应力可以使α-Sn薄膜成为一种拓扑绝缘体或者狄拉克半金属,这个可以实现拓扑绝缘体和狄拉克半金属的体系,是研究拓扑表面态的很好的平台。而α-Sn作为一种在室温下的亚稳相,与其晶格匹配的衬底较少,所以高质量α-Sn外延薄膜的制备有一定的挑战性。本文的主要工作为运用分子束外延(MBE)技术制备α-Sn单晶薄膜并对其进行表征。总结如下:(1)在低于室温的生长温度下,通过MBE分别在Si、GaAs和InSb衬底上进行了 Sn的生长研究,并在InSb衬底上获得了一系列不同厚度的α-Sn单晶薄膜。通过X射线衍射(XRD)和X射线倒空间测试,证明我们得到了高质量的α-Sn单晶薄膜,并且当薄膜厚度达到400nm时,外延薄膜仍然未出现弛豫现象。(2)通过对20 nm薄膜样品变温XRD的研究,20 nm的α-Sn薄膜的相变温度由已知的13.2℃被提高到了 120℃,这也是目前报道中,α-Sn相变温度最高的。这为后续的研究和应用提供了更多的可能性。(3)通过变温XRD的测试得到了 α-Sn薄膜的热膨胀系数为7.14×10~(-6)/℃,大于文献报道的α-Sn单晶的热膨胀系数4.7×10~(-6)/℃,这是因为α-Sn薄膜在面内方向的膨胀受到限制,所以薄膜面外方向的热膨胀系数比体块的大。(4)本实验首次通过截面透射电子显微镜(TEM)在微观尺度上看到了薄膜与衬底的清晰界面并证明薄膜具有较好的晶格质量。(5)通过电学输运的表征,我们首次在α-Sn薄膜中观测到了超导效应和巨大磁电阻效应,进一步的测试和原理分析正在进行当中。综上所述,通过合适衬底的选择和生长条件的优化,我们外延制备出了高质量的α-Sn单晶薄膜,厚度可达400nm,结构表征显示薄膜具有良好的单晶质量;通过应力调控成功提高了 α-Sn的相转变温度并获得一维方向上的热膨胀系数;第一次在α-Sn薄膜中观测到超导特性及巨大磁电阻效应。该薄膜材料的研发在未来的拓扑表面态和电磁性能研究中将起到重要的作用。
【学位单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG146.14;TB383.2
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 锡的同素异形体
        1.1.1 β-Sn到α-Sn的相变
    1.2 α-Sn—一种窄带隙半导体
        1.2.1 体块α-Sn的半导体特性
        1.2.2 α-Sn薄膜的半导体特性
    1.3 α-Sn薄膜具有的拓扑表面态
        1.3.1 α-Sn薄膜的能带结构
        1.3.2 拓扑表面态
    1.4 应力对α-Sn薄膜的调控作用
        1.4.1 狄拉克半金属
        1.4.2 α-Sn薄膜的输运行为
    1.5 本论文的主要研究内容
第二章 α-Sn薄膜制备工艺和表征手段
    2.1 分子束外延技术(MBE)
        2.1.1 MBE基本原理
        2.1.2 MBE设备组成
    2.2 反射式高能电子衍射(RHEED)
    2.3 高分辨X射线衍射(HRXRD)
    2.4 原子力显微镜(AFM)
    2.5 透射电子显微镜(TEM)
    2.6 综合物性测量系统(PPMS)
第三章 单晶α-Sn薄膜的外延生长
    3.1 α-Sn薄膜的生长难点
        3.1.1 α-Sn薄膜生长的衬底选择
        3.1.2 亚稳相的相变
    3.2 在Si(111)衬底上的生长
        3.2.1 Si(111)衬底的处理
        3.2.2 Sn薄膜的生长
    3.3 在GaAs衬底上的生长
    3.4 在InSb衬底上的生长
        3.4.1 InSb衬底的处理
        3.4.2 α-Sn薄膜的生长
        3.4.3 α-Sn薄膜的表征
    3.5 本章小结
第四章 样品的稳定性研究
    4.1 α-Sn薄膜的时间稳定性
    4.2 α-Sn薄膜的低温稳定性
    4.3 α-Sn薄膜的高温稳定性
        4.3.1 α-Sn的相变研究
        4.3.2 α-Sn的高温XRD和拉曼光谱研究
    4.4 本章小结
第五章 α-Sn薄膜的电学输运性质研究
    5.1 α-Sn/InSb的电学输运性质测量
    5.2 α-Sn/InSb/GaAs的电学输运性质测量
    5.3 本章小结
第六章 总结与展望
参考文献
硕士期间学术成果
致谢

【参考文献】

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本文编号：2840298