【摘要】：拓?fù)浣^緣體(topological insulator)是當(dāng)下極為熱門的一種新型材料。此類材料體態(tài)絕緣,而表面則呈導(dǎo)電的金屬態(tài)。在自旋-軌道耦合相互作用下,表面電子態(tài)的自旋和動量是鎖定的,受到時間反演對稱性保護。拓?fù)浣^緣體的體能隙大小是一個重要指標(biāo),能隙小則在制備過程中的本征摻雜會使其在體內(nèi)容易產(chǎn)生大量載流子,影響對表面金屬態(tài)的測量和應(yīng)用。而硒化鉍(Bi_2Se_3)是大能隙拓?fù)浣^緣體典型的代表,其大小約為0.3 eV。近年來的研究表明會有一些新奇的現(xiàn)象發(fā)生在拓?fù)浣^緣體中。比如預(yù)言中的馬約拉納(Majorana)費米子,磁單極子等,并且其在未來的自旋電子學(xué)、量子計算等領(lǐng)域都有重大的應(yīng)用價值。本文從拓?fù)浣^緣體的研究背景開始介紹,包括其發(fā)現(xiàn)歷程和研究進展。探究了高質(zhì)量Bi_2Se_3薄膜的制備過程,包括對襯底溫度和元素束流比例的探索,并分析制得薄膜的質(zhì)量,得到相對本實驗室設(shè)備最適合的實驗參數(shù)。本文在探索到合適的生長參數(shù)后,使用了各種各樣的襯底,有Al_2O_3、Si、InP、Ge等,通過比較,發(fā)現(xiàn)使用分子束外延方法在各種襯底上生長出高質(zhì)量Bi_2Se_3薄膜的襯底生長溫度、束流比等條件基本一致。利用拓?fù)浣^緣體Bi_2Se_3的表面金屬性的性質(zhì),本文在半導(dǎo)體鍺上制備了Bi_2Se_3薄膜,鍺與硒化鉍之間形成肖特基結(jié),根據(jù)肖特基結(jié)對入射光響應(yīng)的原理對肖特基結(jié)的工作機理進行了深入分析討論;本文對硒化鉍-鍺肖特基結(jié)進行了電輸運和不同波長下的光響應(yīng)測試,探究了鍺襯底對Bi_2Se_3薄膜的電輸運和光響應(yīng)的影響,發(fā)現(xiàn)Bi_2Se_3的光響應(yīng)在紅外區(qū)最大,在可見光部分稍小,在紫光下幾乎無響應(yīng);通過對樣品的降溫處理,本文研究了180~300 K的溫度范圍內(nèi)異質(zhì)結(jié)的響應(yīng)情況,發(fā)現(xiàn)樣品對外加激光始終有穩(wěn)定的響應(yīng),且溫度越低樣品的光響應(yīng)特性越好。
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O413;TB34
【圖文】：

同于一般金屬的導(dǎo)電態(tài)，普通金屬的表面態(tài)是由懸掛鍵或者表面重構(gòu)引起的，而拓?fù)浣^緣體的表面態(tài)是不受背散射影響且自旋動量鎖定的，它受到時間反演對稱性保護[1-2]。遺憾的是目前制備出的拓?fù)浣^緣體中都不可避免出現(xiàn)了大量的本征缺陷，使得體內(nèi)呈較高的導(dǎo)電性。在二十世紀(jì)八十年代以前，人們發(fā)現(xiàn) Laudau 的對稱性自發(fā)破缺原理可以用來理解不同的量子態(tài)，比如，空間平移對稱性的破壞對應(yīng)晶體；空間旋轉(zhuǎn)對稱性的破壞對應(yīng)鐵磁體；規(guī)范對稱性的破壞則對應(yīng)超導(dǎo)體。量子霍爾效應(yīng)，包括整數(shù)量子霍爾效應(yīng)（IQHE）和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)（FQHE）的發(fā)現(xiàn)，使對稱性自發(fā)破缺原理受到挑戰(zhàn)，人們無法用其解釋量子霍爾態(tài)。要想理解量子霍爾態(tài)必須引入拓?fù)湫颍╰opologicalorder）的概念，因此，量子霍爾態(tài)也被稱為拓樸相（topologicalphase）。在量子霍爾系統(tǒng)中，某些特定的量(比如霍爾電導(dǎo)率，基態(tài)簡并度等)，除非體內(nèi)能隙關(guān)閉產(chǎn)生了量子相變，否則不受到雜質(zhì)、無序、相互作用等微量擾動的影響。與普通絕緣體不同的使，雖然量子霍爾態(tài)的體態(tài)也同樣具有能隙，但它還具有受到拓?fù)浔Ｗo的無能隙的邊緣態(tài)，該邊緣態(tài)是導(dǎo)電的。

爾效應(yīng)爾效應(yīng)是一種電磁效應(yīng)，是由美國科學(xué)家霍爾研究金屬的電輸運行為時當(dāng)半導(dǎo)體中有電流通過時，在垂直于電流的方向上施加磁場，會使得半導(dǎo)流子受到洛倫茲力而定向運動，電子與空穴運動的方向相反，在特定方位形成內(nèi)部電場，電勢差就是霍爾電壓[4]。當(dāng)載流子聚集到一定程度，電場洛倫茲力相平衡，載流子不再集中，此時后來的載流子受到磁場對其產(chǎn)生力會被電場力的作用抵消，使得后來的載流子能不產(chǎn)生偏移的通過，這個為霍爾效應(yīng)。如圖 1.2 所示，電流沿 x 軸方向，外加磁場為 z 軸方向，根旋定則，半導(dǎo)體內(nèi)空穴受到一個沿 y 軸正半軸方向的洛倫茲力，電子則的力。所以半導(dǎo)體上邊緣聚集了很多帶正電荷的空穴，而在下部分相對的多帶負(fù)電荷的電子，正負(fù)電荷之間產(chǎn)生一個電勢差 EH，即為霍爾電壓，阻和磁場強度是線性關(guān)系。根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們制備出許多具有相應(yīng)功能件，霍爾器件的一個主要應(yīng)用就是通過檢測磁場強度的變化，得到相應(yīng)的，然后控制相對應(yīng)的控制單元，可用于預(yù)警、測量等功能。

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本文編號：2713128