錫是一種常見(jiàn)金屬,具有不同的相,α相的錫因?yàn)闊岱�(wěn)定的原因,與相對(duì)穩(wěn)定的β相相比,研究相對(duì)較少。近年來(lái)隨著量子計(jì)算的炙手可熱,拓?fù)浣^緣體材料和狄拉克半金屬材料被廣泛關(guān)注。拓?fù)浔砻鎽B(tài)有著非常重要的應(yīng)用,尤其是在基礎(chǔ)科學(xué)研究方面,其是全新的物理概念、現(xiàn)象和效應(yīng),在下一代電子技術(shù)方面,有革新性的進(jìn)展。有研究表明,α-Sn是一種具有拓?fù)浔砻鎽B(tài)的材料,面內(nèi)不同的應(yīng)力可以使α-Sn薄膜成為一種拓?fù)浣^緣體或者狄拉克半金屬,這個(gè)可以實(shí)現(xiàn)拓?fù)浣^緣體和狄拉克半金屬的體系,是研究拓?fù)浔砻鎽B(tài)的很好的平臺(tái)。而α-Sn作為一種在室溫下的亞穩(wěn)相,與其晶格匹配的襯底較少,所以高質(zhì)量α-Sn外延薄膜的制備有一定的挑戰(zhàn)性。本文的主要工作為運(yùn)用分子束外延(MBE)技術(shù)制備α-Sn單晶薄膜并對(duì)其進(jìn)行表征�？偨Y(jié)如下:(1)在低于室溫的生長(zhǎng)溫度下,通過(guò)MBE分別在Si、GaAs和InSb襯底上進(jìn)行了 Sn的生長(zhǎng)研究,并在InSb襯底上獲得了一系列不同厚度的α-Sn單晶薄膜。通過(guò)X射線衍射(XRD)和X射線倒空間測(cè)試,證明我們得到了高質(zhì)量的α-Sn單晶薄膜,并且當(dāng)薄膜厚度達(dá)到400nm時(shí),外延薄膜仍然未出現(xiàn)弛豫現(xiàn)象。(2)通過(guò)對(duì)20 nm薄膜樣品變溫XRD的研究,20 nm的α-Sn薄膜的相變溫度由已知的13.2℃被提高到了 120℃,這也是目前報(bào)道中,α-Sn相變溫度最高的。這為后續(xù)的研究和應(yīng)用提供了更多的可能性。(3)通過(guò)變溫XRD的測(cè)試得到了 α-Sn薄膜的熱膨脹系數(shù)為7.14×10~(-6)/℃,大于文獻(xiàn)報(bào)道的α-Sn單晶的熱膨脹系數(shù)4.7×10~(-6)/℃,這是因?yàn)棣?Sn薄膜在面內(nèi)方向的膨脹受到限制,所以薄膜面外方向的熱膨脹系數(shù)比體塊的大。(4)本實(shí)驗(yàn)首次通過(guò)截面透射電子顯微鏡(TEM)在微觀尺度上看到了薄膜與襯底的清晰界面并證明薄膜具有較好的晶格質(zhì)量。(5)通過(guò)電學(xué)輸運(yùn)的表征,我們首次在α-Sn薄膜中觀測(cè)到了超導(dǎo)效應(yīng)和巨大磁電阻效應(yīng),進(jìn)一步的測(cè)試和原理分析正在進(jìn)行當(dāng)中。綜上所述,通過(guò)合適襯底的選擇和生長(zhǎng)條件的優(yōu)化,我們外延制備出了高質(zhì)量的α-Sn單晶薄膜,厚度可達(dá)400nm,結(jié)構(gòu)表征顯示薄膜具有良好的單晶質(zhì)量;通過(guò)應(yīng)力調(diào)控成功提高了 α-Sn的相轉(zhuǎn)變溫度并獲得一維方向上的熱膨脹系數(shù);第一次在α-Sn薄膜中觀測(cè)到超導(dǎo)特性及巨大磁電阻效應(yīng)。該薄膜材料的研發(fā)在未來(lái)的拓?fù)浔砻鎽B(tài)和電磁性能研究中將起到重要的作用。
【學(xué)位單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TG146.14;TB383.2
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
    1.1 錫的同素異形體
        1.1.1 β-Sn到α-Sn的相變
    1.2 α-Sn—一種窄帶隙半導(dǎo)體
        1.2.1 體塊α-Sn的半導(dǎo)體特性
        1.2.2 α-Sn薄膜的半導(dǎo)體特性
    1.3 α-Sn薄膜具有的拓?fù)浔砻鎽B(tài)
        1.3.1 α-Sn薄膜的能帶結(jié)構(gòu)
        1.3.2 拓?fù)浔砻鎽B(tài)
    1.4 應(yīng)力對(duì)α-Sn薄膜的調(diào)控作用
        1.4.1 狄拉克半金屬
        1.4.2 α-Sn薄膜的輸運(yùn)行為
    1.5 本論文的主要研究?jī)?nèi)容
第二章 α-Sn薄膜制備工藝和表征手段
    2.1 分子束外延技術(shù)(MBE)
        2.1.1 MBE基本原理
        2.1.2 MBE設(shè)備組成
    2.2 反射式高能電子衍射(RHEED)
    2.3 高分辨X射線衍射(HRXRD)
    2.4 原子力顯微鏡(AFM)
    2.5 透射電子顯微鏡(TEM)
    2.6 綜合物性測(cè)量系統(tǒng)(PPMS)
第三章 單晶α-Sn薄膜的外延生長(zhǎng)
    3.1 α-Sn薄膜的生長(zhǎng)難點(diǎn)
        3.1.1 α-Sn薄膜生長(zhǎng)的襯底選擇
        3.1.2 亞穩(wěn)相的相變
    3.2 在Si(111)襯底上的生長(zhǎng)
        3.2.1 Si(111)襯底的處理
        3.2.2 Sn薄膜的生長(zhǎng)
    3.3 在GaAs襯底上的生長(zhǎng)
    3.4 在InSb襯底上的生長(zhǎng)
        3.4.1 InSb襯底的處理
        3.4.2 α-Sn薄膜的生長(zhǎng)
        3.4.3 α-Sn薄膜的表征
    3.5 本章小結(jié)
第四章 樣品的穩(wěn)定性研究
    4.1 α-Sn薄膜的時(shí)間穩(wěn)定性
    4.2 α-Sn薄膜的低溫穩(wěn)定性
    4.3 α-Sn薄膜的高溫穩(wěn)定性
        4.3.1 α-Sn的相變研究
        4.3.2 α-Sn的高溫XRD和拉曼光譜研究
    4.4 本章小結(jié)
第五章 α-Sn薄膜的電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)研究
    5.1 α-Sn/InSb的電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)測(cè)量
    5.2 α-Sn/InSb/GaAs的電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)測(cè)量
    5.3 本章小結(jié)
第六章 總結(jié)與展望
參考文獻(xiàn)
碩士期間學(xué)術(shù)成果
致謝

【參考文獻(xiàn)】

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