论文摘要
拓扑绝缘体（TI）这一类新型量子态从近现代以来在凝聚态物理中成为人们探索新潮。这类物质的性质是材料体内是属于绝缘态而表面或者边界是金属态,其特殊的性质和以往的金属或者绝缘材料有很大的不同。材料的表面态对于杂质等其它因素的影响较小且能被时间反演对称保护,这一性质使得电子能进行无散耗的运输。有相关预言提到这类材料和其它物质的结合（超导体或磁性材料）能够得到奇异的特性,这一特性使得它在制造量子器件以及自旋电子学或其它方向均具有研究的意义。TI中选择三维（3D）材料里最具备探索价值的Bi2Se3作为探讨目标。Bi2Se3相对其它同类材料结构简单使得相的合成变得容易,拥有很大的能隙以及材料表面有Dirac单锥,且该体系可以引入铁磁性,很大程度上会出现量子霍尔效应。但是试验后得到的Bi2Se3和真正的TI有所差距,绝大多数的Bi2Se3有Se位空缺的状态,即费米能级偏移带隙间使其很难透过体态来对材料的表面态有所贡献。由于掺杂对于缺陷导致的杂质电子掺杂有所优化,能够使得体系中表面态贡献有所提高且能打开带隙,非磁性元素锂的掺杂满足这一特征。据悉,由于非磁性杂质对TI的影响比较小,根据理论推导,非磁性元素中的轻元素硼和碳掺杂后能够对Se位的空缺有所补偿,可以调控拓扑特性。所以本文选择锂、硼和碳三种非磁性轻元素分别掺杂于Bi2Se3中来做研究,并且对含碳化合物与Bi2Se3掺杂做了简单探讨:一种是含碳化合物无水柠檬酸（C6H8O7）,其二是碳化硼（B4C）。此外,由于铁硒（FeSe）的结构简单且没有有毒物质,其在量子器件的发展上有重要作用,故选择FeSe与Bi2Se3之间做掺杂研究。本论文实验部分有以下几个内容:锂元素与硒化铋掺杂。对材料微观及其电输运测试做讨论。掺杂后材料的结构与纯样基本一致,其物性测试显示纯样没有金属绝缘转变点但所有掺杂后的样品有金属绝缘转变温度点,即掺杂后样品的表面态贡献有所提高。硼掺杂硒化铋、碳掺杂硒化铋。对材料微观以及输运测试做讨论。材料在掺杂后均属于层状结构,B和C均是以替代Bi2Se3中的Se元素为主,少量原子基本上是插入原子层间的方式位于材料中。两种元素分别与硒化铋掺杂后的电输运测试均出现金属绝缘转变温度点,磁致电阻曲线在金属绝缘温度点有拐点出现,即材料的表面态贡献有所提升。掺杂B的样品在高磁场下低温10K附近有SdH震荡出现且表现为n型半导体行为。同时也说明B掺杂对于Se位空缺补偿的不足。两种元素掺杂后的磁输运测试均表现为从抗磁性到铁磁性的转变状态且具有清晰地磁滞回线存在,也表明两种元素分别与Bi2Se3掺杂能诱导铁磁性。化合物无水柠檬酸和碳化硼分别与硒化铋掺杂。C6H8O7的掺杂数据说明材料是能够与Bi2Se3掺杂的,这可能是与C6H8O7经高温分解后留下的碳粉能有效与Bi2Se3掺杂有关。而B4C没能掺杂进入Bi2Se3,有许多杂相出现且在样品表面能直接观察到未参与反应原材料。铁硒与硒化铋掺杂。掺杂后样品磁输运测试显示随掺杂浓度提高,材料抗磁性增强后再变弱。
论文目录
文章来源
类型: 硕士论文
作者: 刘悦
导师: 羊新胜
关键词: 拓扑绝缘体,掺杂,轻元素,表面态
来源: 西南交通大学
年度: 2019
分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑
专业: 物理学,无机化工
单位: 西南交通大学
分类号: TQ135.32;O469
DOI: 10.27414/d.cnki.gxnju.2019.000325
总页数: 62
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