拓撲絕緣體Bi2Se3薄膜的實驗制備與表征及其電輸運性質(zhì)研究.pdf

1、拓撲絕緣體作為一種新型量子功能材料，其內(nèi)部是絕緣態(tài)，表面則是無能隙的金屬態(tài)。時間反演對稱性使這種金屬性的表面態(tài)不受非磁性雜質(zhì)和缺陷的影響，其載流子為無質(zhì)量的狄拉克費米子，動量和自旋是鎖定的。因此，表面態(tài)的載流子可以無散射傳輸。拓撲絕緣體薄膜是一種新型準二維晶體，不僅可以借助它來探索一些新奇的物理現(xiàn)象，如表面或界面的臨近相互作用，而且在新型納米電子器件、自旋電子器件和光子器件等方面有巨大的應(yīng)用前景。
　　由于具有依靠范德瓦爾斯力形成

2、的層狀結(jié)構(gòu)和較大的體帶隙，近些年，基于Ⅴ/Ⅵ族的拓撲絕緣體Bi2Se3薄膜一直是物理學(xué)、材料科學(xué)和納米電子學(xué)交叉研究的熱門體系之一。本論文利用分子束外延設(shè)備在藍寶石襯底上生長Bi2Se3薄膜、摻雜Mn的Bi2Se3薄膜及其異質(zhì)薄膜，并對薄膜樣品的結(jié)構(gòu)進行一些表征，研究了薄膜的電輸運特性，相關(guān)工作按照下面三個方面展開:
　　首先，制備高質(zhì)量的Bi2Se3薄膜是研究其性質(zhì)的前提，其中合適的襯底溫度和元素束流比對生長高質(zhì)量的薄膜至關(guān)重要

3、。本論文通過改變襯底溫度以及Se和Bi束流比，制備不同的薄膜樣品，根據(jù)對薄膜樣品的RHEED、XRD、AFM和EDS等表征結(jié)果分析襯底溫度和元素束流比等條件對薄膜生長質(zhì)量的影響，獲得Bi2Se3薄膜最優(yōu)的生長條件。研究結(jié)果表明，藍寶石襯底溫度設(shè)定為390℃并保持Se和Bi束流比為10∶1時獲得Bi2Se3薄膜樣品表面平整、成分接近理想配比、結(jié)晶質(zhì)量較好。
　　其次，在前面獲得的最優(yōu)條件下，制備Bi2Se3和摻雜Mn的Bi2Se3薄

4、膜，對比研究Bi2Se3薄膜和摻Mn的Bi2Se3薄膜的電學(xué)性質(zhì)。對Bi2Se3薄膜的電輸運性質(zhì)進行測量:(1)薄膜樣品縱向電阻（ρxx）在25-300K范圍，隨著溫度降低而降低，表現(xiàn)出金屬導(dǎo)電行為;而在在2K-25K范圍，薄膜電阻隨著溫度的降低電阻幾乎不發(fā)生變化，表明靜態(tài)無序是體系主要的散射機制;(2)在不同的測量溫度下和外加磁場下，特別是低溫下低場區(qū)，縱向電阻（ρxx）隨著磁場的增大而增加，即正磁阻現(xiàn)象;(3)橫向電阻（ρxy）隨著