层状硒化物及其固溶体系的外延生长与物性研究

发布时间：2020-05-25 02:29

【摘要】：层状硒化物(包括Bi_2Se_3、In_2Se_3、Sb_2Se_3、MoSe_2等)是一类非常重要的半导体材料,根据其能带结构和特性,它们已经在光电、热电、电化学、太阳能电池等方面得到了广泛的应用。而采用掺杂等技术手段还可以对其物性进行深入调控,更加拓展了该类材料的科学研究内涵以及应用领域范围。其中传统热电材料Bi_2Se_3被发现是具有较宽体能带隙的三维强拓扑绝缘体,它是最有可能实现拓扑绝缘体量子器件室温应用的基础材料。有研究表明当在Bi_2Se_3晶格中掺杂特定元素后所得固溶体材料将具有比Bi_2Se_3更大范围可控的体能隙和更可调控的化学势,甚至出现更加新奇的拓扑量子性质和更优的光电、热电性能,使其更加适用于量子和光、热电器件应用领域。因此本文将围绕Bi_2Se_3及其固溶体系的制备以及基础物性表征展开研究,着重研究了Bi_2Se_3的固溶体系的相控生长,并对所生长的薄膜材料进行性质表征。主要工作如下:(1)利用分子束外延技术在Si(111)衬底以及氟金云母衬底上制备了高质量的Bi_2Se_3以及其固溶体Bi_4Se_3单晶薄膜。在制备过程中研究了不同Se束流对所得薄膜结果的影响,确定了在Se:Bi的束流比约为1:1时可以生长出纯相且结晶质量最高的Bi_4Se_3薄膜,当Se:Bi的束流比值大于6时所生长的硒化铋均为Bi_2Se_3,而当Se:Bi束流比值在1与6之间将获得Bi_4Se_3-Bi_2Se_3赝二元连续固溶体薄膜。而在InP(111)B面利用同样的生长工艺却未能获得Bi_4Se_3薄膜。除此之外通过RHEED、STM、HRXRD、拉曼光谱对外延生长所获得的Bi_4Se_3薄膜进行了表面形貌以及晶体结构的表征。所制备的Bi_4Se_3薄膜结晶质量良好,表面光滑平整,并且没有杂相。通过拉曼光谱测试,发现在Bi_4Se_3-Bi_2Se_3赝二元固溶体中存在应变导致的成分与拉曼频移的非线性关系,随后又对Bi_4Se_3样品的电学以及热电性质进行了测量,其表现为P型电导,测得体载流子浓度为2.79×10~(20)cm~3,体电阻率为7.25×10~-~4Ω·cm,迁移率为3.09cm~2·V~1·S~1,霍尔系数为2.24×10~(-2)m~2·C~(-1),面内Seebeck系数为52μV/K。(2)除此之外对固溶体系(Bi_(1-x)Sb_x)_2Se_3进行了研究。本文研究了氟金云母衬底上(Bi_(1-x)Sb_x)_2Se_3薄膜的分子束外延生长制备,在控制Bi源以及Se源束流不变的情况下改变Sb源的温度,生长了一系列x值不同厚度均为20nm的薄膜样品,并对其成分进行了标定。通过公式拟合得出在满足理想层状外延生长模式(layer-by-layer)时(Bi_(1-x)Sb_x)_2Se_3固溶体薄膜生长过程中Bi与Sb的掺入率分别为75.38%和82.75%。利用RHEED、HRXRD、拉曼光谱对外延生长所得的(Bi_(1-x)Sb_x)_2Se_3系列薄膜进行了表面形貌以及晶体结构的表征与分析。确定了在MBE非平衡生长条件下Sb在菱方相(Bi_(1-x)Sb_x)_2Se_3薄膜中的最大固溶度为68%,而随着薄膜厚度的增加Sb的固溶度将逐渐趋于平衡固溶度(~24%)。除此之外对所生长的(Bi_(1-x)Sb_x)_2Se_3薄膜进行了UV-Vis-NIR测试,发现随着Sb掺入量的增加(Bi_(1-x)Sb_x)_2Se_3薄膜的透过率会随之增加,这可能是随着Sb掺入量的增加(Bi_(1-x)Sb_x)_2Se_3薄膜自由载流子浓度降低的结果;研究也发现当x0.53时菱方相(Bi_(1-x)Sb_x)_2Se_3固溶体的吸收边在4.24μm处,说明在该x值范围内菱方相(Bi_(1-x)Sb_x)_2Se_3固溶体的光学带隙与菱方相Bi_2Se_3接近。
【图文】：

结构图,结构图,狄拉克,绝缘体

(a) (b)图 1-1 Bi2Se3结构图。(a)Bi2Se3的晶体结构图；(b)Bi2Se3的能带结构图扑绝缘体作为一种具有奇特量子效应的全新量子态物质[4,5,7]，与传统缘体、半导体、导体不同，其体内是有能带隙的绝缘态而表面则呈现的金属态。2007 年，Kane 等人结合理论和实验预言了二元铋锑合金0.07<x<0.22）是一种三维拓扑绝缘体[5-7]。在三维拓扑绝缘体中，，Bi2Se年被美国普林斯顿大学的 Hasan 等人通过角分辨光电子能谱仪（ARPES现了其是具有单一表面狄拉克锥拓扑态的物质，并证明了 Bi2Se3是一缘体材料[15]。随后于2010年，清华大学的薛其坤教授等通过分子束外了厚度从 1QL 到 50QL 的高质量 Bi2Se3薄膜，并通过角分辨光电子能PES）研究了对于不同厚度下的 Bi2Se3薄膜的狄拉克锥以及狄拉克点的6]。通过 Bi2Se3的角分辨光电子能谱可以看出在导带与价带之间相连接具有线性色散关系。又由于三维强拓扑绝缘体 Bi2Se3的化学计量比可且容易生长出纯的化学相，以及 Bi2Se3具有较大的体能隙（0.3eV），

性质,热导率,热电材料,半金属

(b) Bi2Se3以及 Bi4Se3性质对比。(a)热导率对数对比[23]以看出 Bi内部是半金属态的，在 Bi子。图 1-5(b-d)依次为当 m=n=1 即 B=1 即 BiSe 时他们的晶体态密度及投Bi2Se3)m(Bi2)n材料的能隙都消失，并，不同 m、n 数值的(Bi2Se3)m(Bi2)n材电子所产生。的热电材料，通过在 Bi2Se3QL 之间化。2018年印度研究学者 ManishaS Bi2Se3的热导率[23]，如图 1-5(a)为率 κlat约为 1.8W/mK，而相比之下，这是由于 Bi4Se3中的 Bi2Se3五原子
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304

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