复合型狄拉克材料的制备及性质研究

发布时间：2017-09-04 12:18

  本文关键词：复合型狄拉克材料的制备及性质研究

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【摘要】：狄拉克材料是近几年涌现的一种新型二维量子功能材料,其载流子有效质量为零,能量和动量之间满足线性关系,需要用相对论狄拉克方程描述。最具有代表性的当属石墨烯和拓扑绝缘体,其独特的能带结构引起了科学界在实验与理论方面的广泛研究。三维拓扑绝缘体Bi_2Se_3,布里渊区只一个狄拉克锥,结构简单,具有固定的化学原子计量比,结构简单,容易合成。作为目前材料研究领域中最接近理想状态的一种强拓扑绝缘体材料,近几年已经吸引了大量科研工作者的研究兴趣。二维层状结构的Bi_2Se_3材料具有较大的表面积体积比,较强的拓扑性质使其可能应用于未来的自旋电子器件。石墨烯是单层碳原子组成的网状结构的二维晶体,由于和拓扑绝缘体Bi_2Se_3均为层状材料,在其界面上也是依靠范德瓦尔斯型的弱相互作用而相互粘结,这使得衬底和薄膜间晶格失配所导致的应力能对生长的影响很小。因此石墨烯为高质量Bi_2Se_3外延薄膜的生长提供了一个很好的衬底。本文总结了狄拉克材料的发展及其复合型狄拉克材料的制备与性质,选取了狄拉克材料中最具代表性的石墨烯和Bi_2Se_3作为研究对象。采用经济高效的化学气相沉积(CVD)法制备三明治结构的复合型狄拉克材料,其研究内容有:(1)通过CVD方法在富Se环境下在SiO_2衬底上直接生长Bi_2Se_3,探究富Se环境对Bi_2Se_3纳米结构生长质量的影响。当高纯Bi_2Se_3粉末和Se粉以6:1比例混合作蒸发源时,Se由于具有较低的熔沸点而提前蒸发出来,充满整个反应炉腔,使得整个反应过程在富Se环境下进行,在Bi_2Se_3生长过程中多余的Se吸附在纳米片的边缘并形成悬挂键来诱导Bi_2Se_3纳米片的横向生长。另外,富Se环境可以有效缓解Bi_2Se_3生长过程中的Se空位问题。(2)以石墨烯作为衬底,采用CVD方法制备Bi_2Se_3纳米薄膜,并探究石墨烯衬底对Bi_2Se_3生长质量的影响。由于Bi_2Se_3和石墨烯均为层状材料,在其界面上主要是范德瓦尔斯型的弱相互作用形成的异质结构,因此,底层石墨烯为上层Bi_2Se_3纳米薄膜的生长充当了很好的衬底。石墨烯与Bi_2Se_3薄膜间的范德瓦尔斯弱相互作用,使石墨烯的面内振动峰2D发生了红移现象。(3)用化学气相沉积的方法预沉积Se做生长点,探究Se对Bi_2Se_3纳米结构生长质量的影响。用Se做生长点有利于Bi_2Se_3纳米结构的横向生长,提高了Bi_2Se_3薄膜的生长质量,并且使得Se与Bi的原子比例更加接近1.5这一标准值(4)将制得的Bi_2Se_3/Graphene(Bi_2Se_3/G)样品取出后立即用湿法转移一层石墨烯制成具有三明治结构的Bi_2Se_3/Graphene/Bi_2Se_3(Bi_2Se_3/G/Bi_2Se_3)复合型狄拉克材料。上层石墨烯与Bi_2Se_3薄膜同样通过范德瓦尔相互作用紧密贴合形成异质结构。通过比较,一段时间后覆盖石墨烯的Bi_2Se_3没有变化,而未覆盖石墨烯的Bi_2Se_3被氧化。证明石墨烯与Bi_2Se_3薄膜复合形成异质结构的优点:①可以提高Bi_2Se_3外延薄膜的生长质量;②可以有效缓解Bi_2Se_3表面氧化造成的拓扑性质退化的问题。
【关键词】：三明治结构 复合型狄拉克材料 拓扑绝缘体 Bi_2Se_3薄膜 抑制表面氧化 CVD 石墨烯
【学位授予单位】：山东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB34
【目录】：

• 中文摘要6-8
• Abstract8-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 狄拉克材料简介11-12
• 1.2 狄拉克材料的研究进展12-15
• 1.2.1 石墨烯的研究进展12-13
• 1.2.2 拓扑绝缘体Bi_2Se_3的研究进展13-15
• 1.3 选题依据及研究内容15-16
• 1.4 本文结构16-17
• 第二章 狄拉克材料的制备方法及表征技术17-23
• 2.1 石墨烯的制备方法17-19
• 2.2 Bi_2Se_3的制备方法19-20
• 2.3 复合型狄拉克材料的测试表征技术20-23
• 第三章 狄拉克材料Bi_2Se_3的制备及其表征23-30
• 3.1 制备条件23
• 3.2 实验结果与分析23-29
• 3.3 本章小结29-30
• 第四章 石墨烯和Bi_2Se_3复合材料的制备与表征30-49
• 4.1 石墨烯的转移与表征30-34
• 4.1.1 石墨烯的转移30-32
• 4.1.2 石墨烯的拉曼表征32-34
• 4.2 富Se环境下Bi_2Se_3的制备及表征分析34-40
• 4.2.1 富Se环境下Bi_2Se_3的制备34-35
• 4.2.2 富Se环境下Bi_2Se_3的表征及其分析35-40
• 4.2.3 本节小结40
• 4.3 预沉积Se纳米颗粒的条件下Bi_2Se_3的制备及表征方法40-49
• 4.3.1 预沉积Se纳米颗粒的条件下Bi_2Se_3的制备方法40-41
• 4.3.2 预沉积Se纳米颗粒的条件下Bi_2Se_3的表征及分析41-47
• 4.3.3 本节小结47-49
• 第五章 三明治结构的复合型狄拉克材料的制备49-55
• 5.1 实验方法49
• 5.2 实验结果与分析49-52
• 5.3 本章小结52-55
• 第六章 全文总结55-57
• 6.1 本论文的主要研究成果55-56
• 6.2 下一步研究工作的建议56-57
• 参考文献57-63
• 攻读硕士学位期间发表的论文和获得的奖励63-64
• 致谢64

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 吕莉;张敏;杨立芹;羊新胜;赵勇;;拓扑绝缘体Bi_2Se_3单晶体的研究进展[J];材料导报;2013年11期

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本文编号：791502