[发明专利]一种高质量硒化铋单晶体的制备方法

说明书

本发明公开了一种高质量硒化铋单晶体的制备方法，本发明通过适当调节Bi：Se的摩尔比，引入少量过量的Se作为传输剂，在不引入额外传输剂及助熔剂的条件下，同时解决了Se挥发性高不易制得理想配比的硒化铋化合物的问题，通过自掺杂效应实现了p型或n型高质量硒化铋单晶体的制备。本发明方法所合成的硒化铋单晶样品纯度高，化学计量比理想，且合成工艺简单、环保、先进，可重复性高；此合成产物对研究拓扑绝缘体材料的拓扑非平凡性具有显著的科学价值。

技术领域

本发明属于拓扑绝缘体材料的制备及应用领域，具体的说涉及一种基于化学气相传输法(Chemical VaporTransport简称CVT)制备高质量硒化铋单晶体的方法。

背景技术

拓扑绝缘体是一种新的量子物质态，完全不同于传统意义上的金属和绝缘体，其体态是有能隙的绝缘态，表面态则是无能隙的金属态，表面态受到体能带结构的时间反演对称保护，不易受到体系中缺陷和杂质的影响^[1]。拓扑绝缘体及其相关物理现象是当前凝聚态物理和材料科学研究的热点，无论是基础研究还是在关于量子计算和自旋电子器件设计等领域都有着巨大的科学价值。Bi₂Se₃、Bi₂Te₃和Sb₂Te₃被报道是最为简单的一系列三维拓扑绝缘体。然而，三者虽然晶体结构相似，但硒化铋的能带电子结构却不同于Bi₂Te₃和Sb₂Te₃，它是一个直接带隙半导体，能隙大约在320meV，是三种拓扑绝缘体中能隙最大的一个，理论和实验角度分析硒化铋在室温下具备更高的应用前景，引起了人们的广泛关注^[2]。截至目前，多晶硒化铋样品的纯度并不能达到研究其拓扑性质的要求，制备出高质量的单晶体(或单晶薄膜)成为分析其拓扑结构及应用性能的关键基础。

目前，制备硒化铋单晶最常用的方法之一是熔融法，它通常具有生长尺寸较大(特别是厘米级别以上)、晶体结构完整度高、体相载流子迁移率较高等优点。然而这种方法最大的缺点是：生长的二元拓扑绝缘体的费米面常常位于体带之中，即使在体相载流子浓度较低时拓扑表面态的贡献也只有0.3％，体态和表面态时常不能明显区分^[3]。此外，改进布里奇曼方法(MBM)、self-flux法(S-F)制备二元拓扑绝缘体同样面临着相同的问题^[4]。由此，优化和升级晶体生长技术合成出高质量的单晶拓扑绝缘体依然是一项重要的工作。

本专利以生长介观材料的化学气相传输法(Chemical Vapor Transport简称CVT)为基础，开发了一个简便易行的合成路线来制备高质量硒化铋单晶体。一般来讲，CVT法具有反应温度低，生长设备、工艺简单等优点。将CVT法用于生长二元介观拓扑绝缘体更是表现出巨大的优势：合成产物具备较大的表-体比，往往能够达到增强表面态贡献的作用，有时甚至是体态表现出金属性，也能观测到拓扑金属表面态的贡献。本专利通过适当调节Bi：Se的摩尔比，引入少量过量的Se，解决传输剂问题的同时，避免了Se挥发性高不易制得理想配比的硒化铋化合物的问题，通过自掺杂效应实现了p型或n型高质量硒化铋单晶体的制备。

[1]CHEN Y,ANALYTIS J,CHU J H,et al.Experimental realization of athree-dimensional topological insulator,Bi₂Te₃[J].Science,2009,325(5937):178.