關(guān)于作者
中國(guó)科學(xué)院金屬研究所
Bi2(Te1-xSex)拓?fù)浣^緣體納米帶的雙極化場(chǎng)效應(yīng)
材料新視野
2014年04月29日
拓?fù)浣^緣體不同于傳統(tǒng)意義上的“金屬”和“絕緣體”，它是一種全新的量子物質(zhì)態(tài)。這種物質(zhì)態(tài)的體電子態(tài)是有能隙的絕緣體，而表面則是由于自旋軌道耦合作用產(chǎn)生的由時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性保護(hù)的無(wú)能隙的表面電子態(tài)。這種無(wú)能隙的表面金屬態(tài)完全是由材料體電子態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性所決定的。目前，最受關(guān)注的是Bi2Se3、Bi2Te3及Sb2Te3等第二代三維拓?fù)浣^緣體材料。盡管目前在拓?fù)浣^緣體領(lǐng)域已報(bào)道了大量實(shí)驗(yàn)工作，但理論預(yù)言的很多重要而有趣的性質(zhì)和現(xiàn)象還仍然沒(méi)有被實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到，影響拓?fù)浣^緣體實(shí)驗(yàn)工作進(jìn)展的主要挑戰(zhàn)是難以獲得高質(zhì)量的拓?fù)浣^緣體樣品。通常制備出來(lái)的樣品都會(huì)因?yàn)榇嬖谌毕輰?dǎo)致費(fèi)米能級(jí)處于導(dǎo)帶或價(jià)帶，從而使得導(dǎo)電體態(tài)掩蓋了材料的表面態(tài)。
最近，沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家(聯(lián)合)實(shí)驗(yàn)室磁性材料與磁學(xué)研究部王振華副研究員、張志東研究員和美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)高翾教授研究組合作通過(guò)氣相化學(xué)沉積(CVD)的方法成功制備了Bi2Te3和不同Se含量摻雜的Bi2Te3的納米片和納米線/帶，對(duì)納米結(jié)構(gòu)拓?fù)浣^緣體表面態(tài)的保護(hù)進(jìn)行了初步研究。發(fā)現(xiàn)當(dāng)Bi2Te3納米片厚度在10納米左右時(shí)，拉曼光譜在93cm-1和113cm-1出現(xiàn)兩個(gè)代表反演對(duì)稱(chēng)破缺的紅外振動(dòng)模式峰。在表面覆蓋PMMA或經(jīng)過(guò)一系列程序制備納米器件后，這兩個(gè)振動(dòng)峰還仍然存在。但是如果把制備的納米片轉(zhuǎn)移到另一個(gè)相同的基片上，這兩個(gè)峰則消失。說(shuō)明所制備的納米片與基片間存在一定的相互作用。隨著B(niǎo)i2Te3納米帶中Se含量的增加，Bi2Te3納米帶導(dǎo)電性可從金屬性轉(zhuǎn)變到半導(dǎo)體性質(zhì)，說(shuō)明Se的摻雜可以提高納米帶的質(zhì)量，有效地抑制了缺陷導(dǎo)致的導(dǎo)電體效應(yīng)，同時(shí)提高了表面效應(yīng)。利用柵極電壓可使半導(dǎo)體導(dǎo)電從N型轉(zhuǎn)為P型，而且納米帶厚度對(duì)柵極電壓的調(diào)制有很大影響，其厚度越小N型到P型轉(zhuǎn)變?cè)矫黠@，并且在較高溫度也可觀察到這種轉(zhuǎn)變。如圖是不同厚度樣品的 電阻隨外加?xùn)烹妷涸诓煌瑴囟认伦兓年P(guān)系曲線，顯示了隨柵電壓的改變電性從N型轉(zhuǎn)為P型的雙極化場(chǎng)效應(yīng)。
最近，沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家(聯(lián)合)實(shí)驗(yàn)室磁性材料與磁學(xué)研究部王振華副研究員、張志東研究員和美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)高翾教授研究組合作通過(guò)氣相化學(xué)沉積(CVD)的方法成功制備了Bi2Te3和不同Se含量摻雜的Bi2Te3的納米片和納米線/帶，對(duì)納米結(jié)構(gòu)拓?fù)浣^緣體表面態(tài)的保護(hù)進(jìn)行了初步研究。發(fā)現(xiàn)當(dāng)Bi2Te3納米片厚度在10納米左右時(shí)，拉曼光譜在93cm-1和113cm-1出現(xiàn)兩個(gè)代表反演對(duì)稱(chēng)破缺的紅外振動(dòng)模式峰。在表面覆蓋PMMA或經(jīng)過(guò)一系列程序制備納米器件后，這兩個(gè)振動(dòng)峰還仍然存在。但是如果把制備的納米片轉(zhuǎn)移到另一個(gè)相同的基片上，這兩個(gè)峰則消失。說(shuō)明所制備的納米片與基片間存在一定的相互作用。隨著B(niǎo)i2Te3納米帶中Se含量的增加，Bi2Te3納米帶導(dǎo)電性可從金屬性轉(zhuǎn)變到半導(dǎo)體性質(zhì)，說(shuō)明Se的摻雜可以提高納米帶的質(zhì)量，有效地抑制了缺陷導(dǎo)致的導(dǎo)電體效應(yīng)，同時(shí)提高了表面效應(yīng)。利用柵極電壓可使半導(dǎo)體導(dǎo)電從N型轉(zhuǎn)為P型，而且納米帶厚度對(duì)柵極電壓的調(diào)制有很大影響，其厚度越小N型到P型轉(zhuǎn)變?cè)矫黠@，并且在較高溫度也可觀察到這種轉(zhuǎn)變。如圖是不同厚度樣品的 電阻隨外加?xùn)烹妷涸诓煌瑴囟认伦兓年P(guān)系曲線，顯示了隨柵電壓的改變電性從N型轉(zhuǎn)為P型的雙極化場(chǎng)效應(yīng)。
在化學(xué)氣相沉積的Bi2(Te1-xSex)的納米帶中發(fā)現(xiàn)雙極化場(chǎng)效應(yīng)，說(shuō)明通過(guò)摻雜和控制納米帶的厚度可以有效地降低體態(tài)對(duì)表面態(tài)的影響，對(duì)于拓?fù)浣^緣體相關(guān)的基礎(chǔ)性質(zhì)和最終應(yīng)用有著重要意義。相關(guān)的工作已發(fā)表在ACS Nano 7 (2013) 2126。