層狀硫系化合物薄膜與量子結(jié)構(gòu)的生長動(dòng)力學(xué)與物性研究.pdf

1、層狀硫系化合物（包括Bi2Se3，Bi2Te3，Sb2Te3，In2Se3等）是一類具有特殊晶體結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的材料體系，在凝聚態(tài)物理、量子自旋、光電、熱電及能源等領(lǐng)域都有巨大的研究和應(yīng)用價(jià)值。其中Bi2Se3除了是傳統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換材料外，新近被發(fā)現(xiàn)為體能帶隙最寬（0.3eV）的強(qiáng)拓?fù)浣^緣體，是有可能實(shí)現(xiàn)拓?fù)浣^緣體室溫應(yīng)用的基礎(chǔ)材料；而其低維量子結(jié)構(gòu)，具有可預(yù)期的更為新穎的量子物理屬性和更高性能的熱電轉(zhuǎn)換能力，因此層狀硫系化合物及其量子結(jié)

2、構(gòu)近年來得到了廣泛關(guān)注與研究。但層狀硫系化合物具有不同于常見共價(jià)半導(dǎo)體的混合型鍵合結(jié)構(gòu)，其生長制備面臨諸多挑戰(zhàn)，目前在該領(lǐng)域的深入研究報(bào)道有限。本論文針對(duì)制備層狀硫系化合物薄膜和量子結(jié)構(gòu)的基本科學(xué)問題開展討論，重點(diǎn)研究了層狀硫系化合物薄膜在硅襯底上的可控制備及其電學(xué)性能，層狀硫系化合物納米結(jié)構(gòu)和多層異質(zhì)結(jié)的制備工藝及生長動(dòng)力學(xué)，以及層狀硫系化合物可控?fù)诫s及量子結(jié)構(gòu)的電學(xué)和熱學(xué)性能。主要工作如下：
　　1.利用自主搭建的物理氣相沉積

3、（PVD）設(shè)備，系統(tǒng)研究了使用層狀硫系材料的化合物源在Si襯底上制取Bi2Se3、Sb2Te3和Bi2Te3薄膜的制備工藝和生長模式。通過研究層狀硫系化合物蒸發(fā)源溫度、襯底預(yù)處理?xiàng)l件及襯底生長溫度等對(duì)層狀硫系化合物薄膜結(jié)構(gòu)、形貌和成分的影響，得到制取高質(zhì)量c軸取向的Bi2Se3、Sb2Te3和Bi2Te3薄膜的物理氣相沉積工藝條件，為這類層狀硫系化合物材料與現(xiàn)今主流半導(dǎo)體Si之間外延研究及異質(zhì)結(jié)能帶研究提供制備工藝參考。
　　2.

4、研究了通過Ar離子濺射刻蝕的方法，對(duì)Bi2Se3薄膜進(jìn)行層層刻蝕，利用XPS/UPS對(duì)薄膜和襯底中元素的核極譜進(jìn)行探測和對(duì)比，首次通過價(jià)態(tài)和能帶特點(diǎn)推導(dǎo)得到Bi2Se3與H-Si異質(zhì)結(jié)之間的能帶結(jié)構(gòu)關(guān)系，為Bi2Se3與H-Si異質(zhì)結(jié)的載流子控制及光電探測方面提供重要物理參數(shù)。Ar離子槍層層刻蝕的薄膜樣品中，通過對(duì)Bi5d、Se2p及襯底中的Si2p進(jìn)行能譜分析，從薄膜和襯底之間銳利的元素分布，側(cè)面證實(shí)Bi2Se3和H-Si之間范德華外

5、延特性。同時(shí)得到Bi2Se3和H-Si之間肖特基勢壘高度ΦB的值為0.31eV。
　　3.研究了通過PVD設(shè)備在不同襯底上進(jìn)行Bi2Se3層狀材料納米結(jié)構(gòu)制備工藝和生長機(jī)理。還研究了在PVD設(shè)備中，進(jìn)行層狀硫系化合物薄膜的異質(zhì)結(jié)制備。在生長中注意到Sb2Te3是可以再作為底層材料繼續(xù)生長其他材料的，Bi2Se3和Bi2Te3則較難，都出現(xiàn)了一些底層薄膜分解，以及互擴(kuò)散的現(xiàn)象，這些試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步幫助我們更深入的了解各個(gè)材料的物理特性

6、，為材料異質(zhì)結(jié)的制備提供重要參考。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)即使是范德華外延，晶格更加匹配且結(jié)晶質(zhì)量較好的襯底對(duì)上層薄膜結(jié)構(gòu)和表面形貌還是有一定的影響。
　　4.采取分子束外延（MBE）的方法，研究了在晶格和Bi2Se3嚴(yán)重失配的Si(111)襯底進(jìn)行高質(zhì)量Bi2Se3薄膜的原位制備方法和薄膜生長過程的動(dòng)力學(xué)特性。在含有不飽和鍵的Si(111)-7x7表面，需要通過合適的鈍化層對(duì)表面懸掛鍵進(jìn)行飽和，以避免Se和Si的反應(yīng)而導(dǎo)致薄膜缺陷增多或者形成

7、多晶。研究了H和Bi鈍化Si(111)表面分別進(jìn)行Bi2Se3薄膜制備的生長動(dòng)力學(xué)過程，總結(jié)出薄膜范德華外延的生長模式。實(shí)現(xiàn)具有大范圍單層Bi2Se3臺(tái)階面的單晶樣品制備，為需要用到大臺(tái)面平整表面相關(guān)研究提供重要材料基礎(chǔ)。
　　5.利用MBE的方法，在云母襯底上制取高質(zhì)量純c軸取向的Bi2Se3薄膜，薄膜具有較高的結(jié)晶性和表面平整度。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步試驗(yàn)了通過非平衡摻雜的方式在透明云母襯底上對(duì)Bi2Se3薄膜進(jìn)行原位Sb摻雜，系

8、統(tǒng)研究了不同Sb摻雜量的Bi2Se3薄膜在材料結(jié)構(gòu)、表面形貌、電學(xué)輸運(yùn)、光學(xué)等方面的性質(zhì)，觀察到Bi2Se3薄膜中Sb摻雜量對(duì)材料載流子濃度和遷移率的影響關(guān)系。
　　6.通過MBE實(shí)現(xiàn)在云母襯底上Bi2Se3/In2Se3超晶格的可控制備。利用反射式高能電子衍射對(duì)生長過程的原位監(jiān)控以及后期高分辨率 X射線衍射來對(duì)云母上制備的超晶格晶格進(jìn)行分析表征，以及通過面內(nèi)面外分析，觀察到Bi2Se3和In2Se3在各自（00L）和（015）晶