拓扑绝缘体Bi 2 Se 3 的表面态调控及光电性质研究
发布时间：2024-07-07 01:48
随着晶体管尺寸的不断减小,集成电路上可容纳的元器件数目已经接近硅工艺所容纳的物理极限,集成电路的发热问题愈发严重,热损耗已接近总能耗的一半。如何降低集成元件材料中电子的碰撞和散射作用,使电子有序高速运行,以减少能耗是自旋电子学领域亟需解决的问题。拓扑绝缘体中表面态的电子由于受强的自旋轨道耦合作用,会形成线性的能量色散关系,具有自旋动量锁定作用,导致不同自旋方向的电子朝着相反方向运动,不再受背散射作用,电子可以实现高速无能耗的输运。拓扑绝缘体Bi2Se3是所有第二类三维拓扑绝缘体中体能隙最大,表面态能带结构最简单的,但其制备过程中易形成本征缺陷(反位缺陷Bise,Se空位VSe),电学和光学等输运过程中常常以体态的电子为主,造成表面态电学和光学性质不佳。如何抑制体态的贡献,增强表面态电子在输运过程中的占比是我们需要研究的重点方向。据此,本文研究了元素掺杂效应和几何结构对拓扑绝缘体Bi2Se3的电学和光学性质的调控作用。(1)通过非磁性元素Cu和磁性元素Cr掺杂实现了对拓扑绝缘体Bi2Se3表面态的有效调控。非磁性元素Cu掺杂使薄膜拓扑表面态增强,导致温度依赖性的线性磁电阻行为,磁性元素C...
【文章页数】：117 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 引言
1.2 拓扑绝缘体
1.2.1 整数量子霍尔效应
1.2.2 量子自旋霍尔效应在二维拓扑绝缘体中的发现
1.2.3 三维拓扑绝缘体
1.3 拓扑绝缘体Bi2Se3
1.3.1 晶体及电子能带结构
1.3.2 本征缺陷
1.3.3 拓扑绝缘体Bi2Se3的研究进展
1.4 拓扑表面态的性质
1.4.1 弱反局域化效应和弱局域化效应
1.4.2 线性磁电阻效应
1.4.3 Shubnikov-de Haas(SdH)效应
1.4.4 Aharonov-Bohm (AB)效应
1.5 拓扑表面态常见的调控方式
1.5.1 元素掺杂调控
1.5.2 门电压调控
1.5.3 应力调控
1.5.4 膜厚调控
1.6 拓扑绝缘体在光电方面的应用
1.6.1 光电领域的现状
1.6.2 光电导效应
1.6.3 光伏效应
1.6.4 光电特征参数
1.6.5 拓扑绝缘体在光电方面的进展
1.7 本文研究目的和内容
第2章 实验方法
2.1 样品制备—化学气相沉积法
2.2 样品结构的表征
2.2.1 X-射线衍射仪
2.2.2 拉曼光谱仪
2.2.3 扫描电子显微镜
2.2.4 透射电子显微镜
2.3 样品性能的表征
2.3.1 综合物性测量系统
2.3.2 光电测试系统
第3章 元素Cu、Cr掺杂对Bi2Se3拓扑表面态的调控
3.1 引言
3.2 实验过程
3.2.1 样品的制备
3.2.2 样品的表征
3.3 结果与讨论
3.3.1 Cu、Cr掺杂Bi2Se3薄膜的形貌与结构
3.3.2 Cu、Cr掺杂Bi2Se3薄膜的电输运性质
3.4 本章小结
第4章 CuxBi2Se3薄膜中电荷离域化和驰豫行为
4.1 引言
4.2 实验过程
4.2.1 样品的制备
4.2.2 样品的表征
4.3 结果与讨论
4.3.1 不同Cu含量的Bi2Se3薄膜的形貌与结构
4.3.2 CuxBi2Se3薄膜中Cu原子的占位情况
4.3.3 CuxBi2Se3薄膜中出现的电荷离域化和驰豫行为
4.4 本章小结
第5章 几何结构对Bi2Se3拓扑表面态的调控
5.1 引言
5.2 实验过程
5.2.1 样品的制备
5.2.2 样品的表征
5.3 结果与讨论
5.3.1 垂直Bi2Se3纳米片薄膜的形貌与结构
5.3.2 垂直Bi2Se3纳米片薄膜的电输运性质
5.4 本章小结
第6章 垂直Cu掺杂Bi2Se3纳米片薄膜的光电性质研究
6.1 引言
6.2 实验过程
6.2.1 样品的制备
6.2.2 样品的表征
6.3 结果与讨论
6.3.1 垂直Cu掺杂Bi2Se3纳米片薄膜的组成与形貌
6.3.2 垂直Cu掺杂Bi2Se3纳米片薄膜的光电性质
6.4 本章小结
第7章 结论
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文和取得的其他研究成果
本文编号：4002967
【文章页数】：117 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 引言
1.2 拓扑绝缘体
1.2.1 整数量子霍尔效应
1.2.2 量子自旋霍尔效应在二维拓扑绝缘体中的发现
1.2.3 三维拓扑绝缘体
1.3 拓扑绝缘体Bi2Se3
1.3.2 本征缺陷
1.3.3 拓扑绝缘体Bi2Se3的研究进展
1.4 拓扑表面态的性质
1.4.1 弱反局域化效应和弱局域化效应
1.4.2 线性磁电阻效应
1.4.3 Shubnikov-de Haas(SdH)效应
1.4.4 Aharonov-Bohm (AB)效应
1.5 拓扑表面态常见的调控方式
1.5.1 元素掺杂调控
1.5.2 门电压调控
1.5.3 应力调控
1.5.4 膜厚调控
1.6 拓扑绝缘体在光电方面的应用
1.6.1 光电领域的现状
1.6.2 光电导效应
1.6.3 光伏效应
1.6.4 光电特征参数
1.6.5 拓扑绝缘体在光电方面的进展
1.7 本文研究目的和内容
第2章 实验方法
2.1 样品制备—化学气相沉积法
2.2 样品结构的表征
2.2.1 X-射线衍射仪
2.2.2 拉曼光谱仪
2.2.3 扫描电子显微镜
2.2.4 透射电子显微镜
2.3 样品性能的表征
2.3.1 综合物性测量系统
2.3.2 光电测试系统
第3章 元素Cu、Cr掺杂对Bi2Se3拓扑表面态的调控
3.1 引言
3.2 实验过程
3.2.1 样品的制备
3.2.2 样品的表征
3.3 结果与讨论
3.3.1 Cu、Cr掺杂Bi2Se3薄膜的形貌与结构
3.3.2 Cu、Cr掺杂Bi2Se3薄膜的电输运性质
3.4 本章小结
第4章 CuxBi2Se3薄膜中电荷离域化和驰豫行为
4.1 引言
4.2 实验过程
4.2.1 样品的制备
4.2.2 样品的表征
4.3 结果与讨论
4.3.1 不同Cu含量的Bi2Se3薄膜的形貌与结构
4.3.2 CuxBi2Se3薄膜中Cu原子的占位情况
4.3.3 CuxBi2Se3薄膜中出现的电荷离域化和驰豫行为
4.4 本章小结
第5章 几何结构对Bi2Se3拓扑表面态的调控
5.1 引言
5.2 实验过程
5.2.1 样品的制备
5.2.2 样品的表征
5.3 结果与讨论
5.3.1 垂直Bi2Se3纳米片薄膜的形貌与结构
5.3.2 垂直Bi2Se3纳米片薄膜的电输运性质
5.4 本章小结
第6章 垂直Cu掺杂Bi2Se3纳米片薄膜的光电性质研究
6.1 引言
6.2 实验过程
6.2.1 样品的制备
6.2.2 样品的表征
6.3 结果与讨论
6.3.1 垂直Cu掺杂Bi2Se3纳米片薄膜的组成与形貌
6.3.2 垂直Cu掺杂Bi2Se3纳米片薄膜的光电性质
6.4 本章小结
第7章 结论
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文和取得的其他研究成果
本文编号：4002967
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