【摘要】：拓撲絕緣體(topological insulator)是當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。拓撲絕緣體的體能隙大小是一個重要指標,能隙小則在制備過程中的本征摻雜會使其在體內容易產生大量載流子,影響對表面金屬態(tài)的測量和應用。而硒化鉍(Bi_2Se_3)是大能隙拓撲絕緣體典型的代表,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)生在拓撲絕緣體中。比如預言中的馬約拉納(Majorana)費米子,磁單極子等,并且其在未來的自旋電子學、量子計算等領域都有重大的應用價值。本文從拓撲絕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量,得到相對本實驗室設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。利用拓撲絕緣體Bi_2Se_3的表面金屬性的性質,本文在半導體鍺上制備了Bi_2Se_3薄膜,鍺與硒化鉍之間形成肖特基結,根據肖特基結對入射光響應的原理對肖特基結的工作機理進行了深入分析討論;本文對硒化鉍-鍺肖特基結進行了電輸運和不同波長下的光響應測試,探究了鍺襯底對Bi_2Se_3薄膜的電輸運和光響應的影響,發(fā)現(xiàn)Bi_2Se_3的光響應在紅外區(qū)最大,在可見光部分稍小,在紫光下幾乎無響應;通過對樣品的降溫處理,本文研究了180~300 K的溫度范圍內異質結的響應情況,發(fā)現(xiàn)樣品對外加激光始終有穩(wěn)定的響應,且溫度越低樣品的光響應特性越好。
【學位授予單位】：合肥工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O413;TB34
【圖文】：

同于一般金屬的導電態(tài)，普通金屬的表面態(tài)是由懸掛鍵或者表面重構引起的，而拓撲絕緣體的表面態(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撲絕緣體中都不可避免出現(xiàn)了大量的本征缺陷，使得體內呈較高的導電性。在二十世紀八十年代以前，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晶體；空間旋轉對稱性的破壞對應鐵磁體；規(guī)范對稱性的破壞則對應超導體。量子霍爾效應，包括整數(shù)量子霍爾效應（IQHE）和分數(shù)量子霍爾效應（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)必須引入拓撲序（topologicalorder）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(比如霍爾電導率，基態(tài)簡并度等)，除非體內能隙關閉產生了量子相變，否則不受到雜質、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，但它還具有受到拓撲保護的無能隙的邊緣態(tài)，該邊緣態(tài)是導電的。

爾效應爾效應是一種電磁效應，是由美國科學家霍爾研究金屬的電輸運行為時當半導體中有電流通過時，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，在特定方位形成內部電場，電勢差就是霍爾電壓[4]。當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生力會被電場力的作用抵消，使得后來的載流子能不產生偏移的通過，這個為霍爾效應。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，半導體內空穴受到一個沿 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電荷的電子，正負電荷之間產生一個電勢差 EH，即為霍爾電壓，阻和磁場強度是線性關系。根據霍爾效應，人們制備出許多具有相應功能件，霍爾器件的一個主要應用就是通過檢測磁場強度的變化，得到相應的，然后控制相對應的控制單元，可用于預警、測量等功能。

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本文編號：2713128