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铋碲基材料的相变性能与拓扑表面态的研究

作　者: 鞠晨
导　师: 缪向水; 程晓敏
学　校: 华中科技大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 相变材料硅掺杂非晶化第一性原理拓扑表面态
分类号: TN304
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

Bi2Te3材料作为性能优异的热电材料已被广泛研究,而当其作为一种快速生长型的相变材料时,虽然有着非常快的结晶速度,但结晶温度很低,因而不适合用于制备相变存储器件,为此本文利用掺杂技术制备了常温下非晶态的铋碲基材料,并研究了其相变特性和结构特征。同时,Bi2Te3作为第二代三维拓扑绝缘体材料,引起了凝聚态物理和材料等领域的极大关注。当其作为拓扑绝缘体用于自旋电子器件时,利用到其非平庸表面态的拓扑输运性质,因此对制备的晶体或薄膜材料要求严格。但实际生长中,Bi2Te3材料很容易存在大量的本征缺陷,给材料引入了n型或p型载流子,使得材料的体态电导越过其非平庸的表面电导,这使拓扑输运性质很难被表征,对基于狄拉克费米子性质的自旋电子器件的研制不利。因此,本文探讨了表面掺杂和分子吸附对拓扑绝缘体Bi2Te3非平庸表面态的调控作用。对于材料相变特性的研究,首先使用磁控溅射法制备了均匀的Bi2Te3薄膜,并通过X射线衍射实验得到了溅射方法制备的薄膜材料沉积态的结晶度和膜厚的关系。提出在Bi2Te3材料中掺杂Si元素,以达到提高材料非晶态稳定性的目的；随后制备了基于硅掺杂铋碲基材料的相变单元,并测试了其相变特性,验证了其用于相变随机存储器的可行性。通过比较不同成分的晶态材料X射线衍射图案并结合四探针实验的测试结果,分析了Si原子在铋碲基材料中的掺杂行为,掺杂量不高时Si原子掺入了晶格内部,而对于高掺杂量的样品,退火后材料内部会发生相分离,部分Si原子将以非晶单质的状态存在于铋碲基材料的晶界。X射线光电子能谱(XPS)和第一性原理的计算结果共同确定了Si原子的掺杂位置为Te(1)原子的位置,同时还得出掺杂后材料中Bi-Te键被弱化的结论。使用从头计算分子动力学的方法模拟出不同硅掺杂量材料的非晶态结构,通过统计分析非晶态中作为晶核雏形的四元环结构数量的变化,说明了硅掺杂对非晶态材料中成核过程的抑制；而态密度和电子局域密度函数的计算结果则表明,Si掺杂减少了快速生长型相变材料在结晶过程中放出的热量,抑制了晶核的长大；因而掺杂有效地提高了材料非晶态的稳定性。对于拓扑绝缘体材料Bi2Te3拓扑非平庸表面态的研究,本文首先基于第一性原理计算探讨了表面周期性的Te空位对材料表面态的影响,其次对由于本征缺陷的存在材料的表面态易于被体态所掩盖的缺点,利用气体吸附和表面掺杂等半导体钝化技术对Bi2Te3材料的(111)面进行调控。其中,O2吸附能够完全中和由表面Te空位引入的n型载流子,将费米能级调控至狄拉克点处。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-26
  1.1 引言  10
  1.2 相变存储材料  10-15
  1.3 拓扑绝缘体材料  15-21
  1.4 密度泛函理论  21-23
  1.5 本文的研究内容及结构安排  23-26
2 铋碲基相变材料的制备  26-45
  2.1 引言  26-27
  2.2 硫系化合物Bi_2Te_3薄膜材料的制备工艺  27-32
  2.3 Bi_2Te_3薄膜材料的结构特点  32-36
  2.4 铋碲基相变薄膜材料的制备  36-43
  2.6 本章小结  43-45
3 硅掺杂铋碲基薄膜的材料特性和结构特征  45-60
  3.1 引言  45-46
  3.2 硅掺杂的铋碲基材料材料特性  46-52
  3.3 硅掺杂铋碲基材料的结构特征  52-58
  3.4 本章小结  58-60
4 硅掺杂对铋碲基材料非晶态稳定性影响的第一性原理研究  60-77
  4.1 引言  60-61
  4.2 计算方法和模型  61-63
  4.3 硅掺杂的铋碲基材料晶态的电子结构和性质  63-70
  4.4 硅掺杂的铋碲基材料非晶态的结构和分析  70-75
  4.5 本章小结  75-77
5 拓扑绝缘体Bi_2Te_3非平庸表面态的调控  77-93
  5.1 引言  77-78
  5.2 模型和方法  78-80
  5.3 结果与讨论  80-91
  5.4 本章小结  91-93
6 全文总结  93-99
  6.1 研究内容总结  93-97
  6.2 主要创新点  97
  6.3 对进一步研究的展望  97-99
致谢  99-100
参考文献  100-111
附录1 攻读博士学位期间发表的论文目录  111-112
附录2 攻读博士学位期间申请的发明专利  112

铋碲基材料的相变性能与拓扑表面态的研究

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