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拓?fù)浣^緣體肖特基結(jié)光電特性研究

發(fā)布時(shí)間:2020-06-14 17:36
【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(shí)間反演對稱性保護(hù)。拓?fù)浣^緣體的體能隙大小是一個(gè)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(fèi)米子,磁單極子等,并且其在未來的自旋電子學(xué)、量子計(jì)算等領(lǐng)域都有重大的應(yīng)用價(jià)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(jìn)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(shí)驗(yàn)室設(shè)備最適合的實(shí)驗(yàn)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(jī)理進(jìn)行了深入分析討論;本文對硒化鉍-鍺肖特基結(jié)進(jìn)行了電輸運(yùn)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(yùn)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】:

示意圖,絕緣體,導(dǎo)體,示意圖


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(shí)間反演對稱性保護(hù)[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(hù)的無能隙的邊緣態(tài),該邊緣態(tài)是導(dǎo)電的。

原理圖,霍爾效應(yīng),原理圖


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(yùn)行為時(shí)當(dāng)半導(dǎo)體中有電流通過時(shí),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(yùn)動,電子與空穴運(yùn)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(shí)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(gè)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(gè)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(gè)電勢差 EH,即為霍爾電壓,阻和磁場強(qiáng)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(gè)主要應(yīng)用就是通過檢測磁場強(qiáng)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。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號:2713128

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