[发明专利]一种制备拓扑绝缘体Bi2Se3薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于拓扑绝缘体材料制备技术领域，尤其属于拓扑绝缘体Bi₂Se₃薄膜的制备技术领域。

背景技术

拓扑绝缘体是近几年发现的一种全新的物质形态，已经引起了巨大的研究热潮。拓扑绝缘体与普通绝缘体一样具有能隙，但拓扑性质不同，在自旋-轨道耦合作用下，在其表面或与普通绝缘体的界面上会出现无能隙、自旋劈裂且具有线性色散关系的表面态。拓扑绝缘体的表面态是由体能带的拓扑性质决定的，与以往发现的由表面悬挂键或表面势引起的表面态不同，且受时间反演不变对称性的保护，不容易受到缺陷、杂质、表面氧化和污染等外界环境的影响。拓扑绝缘体还与近年的研究热点如量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应等领域紧密相连，其基本特征都是利用物质中电子能带的拓扑性质来实现各种新奇的物理性质。例如拓扑绝缘体表面态与磁性材料的相互作用，将有可能导致量子化反常霍尔效应、拓扑磁电效应、镜像磁单极子等现象，拓扑绝缘体与超导材料的界面有可能出现马约拉那（Majorana)量子态。利用拓扑绝缘体材料中的拓扑序、超导序和铁磁序，人类有望制造出新型量子器件，并最终应用到量子计算和自旋电子学等领域。目前研究最多的三维拓扑绝缘体材料是V₂VI₃家族材料：Bi₂Se₃,Bi₂Te₃和Sb₂Te₃。因为这一类材料的优点是体能隙相对较大（其中Bi₂Se₃能隙是0.3eV），简单的表面能带结构（单个狄拉克锥Dirac），而且容易制备。

将三维拓扑绝缘体材料的厚度减少到某种程度，可转变成二维拓扑绝缘。这意味着如果将Bi₂Se₃家族三维拓扑绝缘体材料做成薄膜，并能对其厚度精确控制，就有可能获得二维拓扑绝缘体材料。其能带、自旋结构和拓扑性质都会发生根本的改变。同时，已有大量研究证明薄膜形态的拓扑绝缘体的电子和自旋结构与厚度、表面、界面之间的关系紧密。因此，通过控制这些参数来调控拓扑绝缘体的电子和自旋结构，这对拓扑绝缘体的研究和应用都具有很重要的意义。此外，现在的半导体工业主要是基于薄膜工艺，生长在基底上的拓扑绝缘体薄膜更容易与传统的半导体技术工艺结合起来，加工成器件，投入实际应用。

早期，人们已经开始用各种方法制备Bi₂Se₃,Bi₂Te₃薄膜如：电沉积、化学水浴沉积、金属有机物化学气相沉积、连续离子层吸附反应、热蒸发、反应蒸发、化合物蒸发等。但这些针对热电应用制备出的薄膜都是比较粗糙的多晶薄膜，为了拓扑性质的研究和应用，我们需要高质量的Bi₂Se₃,Bi₂Te₃单晶体材料和薄膜材料。