[发明专利]一种硒化铋超晶格结构及其制备

说明书

本发明提供一种硒化铋超晶格结构及其制备，属于拓扑绝缘体与热电材料领域。利用分子束外延技术在衬底表面依次交替外延生长结晶取向为(001)的硒化铋拓扑绝缘体(化学式为：Bisubgt;2/subgt;Sesubgt;3/subgt;)单晶薄膜与硒化铟铋普通绝缘体(化学式为：(Bisubgt;1‑x/subgt;Insubgt;x/subgt;)subgt;2/subgt;Sesubgt;3/subgt;，其中0.20≤x≤0.35)单晶薄膜，从而构建出Bisubgt;2/subgt;Sesubgt;3/subgt;/(Bisubgt;1‑x/subgt;Insubgt;x/subgt;)subgt;2/subgt;Sesubgt;3/subgt;超晶格。与现有硒化铋超晶格结构相比，本发明所述超晶格中Bisubgt;2/subgt;Sesubgt;3/subgt;拓扑绝缘体层与(Bisubgt;1‑x/subgt;Insubgt;x/subgt;)subgt;2/subgt;Sesubgt;3/subgt;普通绝缘体层之间晶格失配小，结构稳定性更好，体电子浓度更低，在拓扑绝缘体以及热电材料领域具有重要应用前景。

技术领域

本发明属于拓扑绝缘体与热电材料领域，具体涉及一种硒化铋超晶格结构及其制备，特别地，是利用分子束外延技术在衬底表面依次交替外延生长结晶取向为(001)的硒化铋(化学式为：Bi₂Se₃)单晶薄膜与硒化铟铋固溶体(化学式为：(Bi_1-xIn_x)₂Se₃，其中0.20≤x≤0.35)单晶薄膜，从而构建出超晶格结构(其中n_N，m_N分别表示超晶格不同单元中Bi₂Se₃层以及(Bi_1-xIn_x)₂Se₃层中含有的五原子层厚度单元的数目，N为超晶格中单元的堆叠个数)。

背景技术

硒化铋(化学式为：Bi₂Se₃)既是一种具有较大体能带隙(～0.3eV)的强拓扑绝缘体(拓扑绝缘体是新近发现的一类材料形态，它们的体电子态是有能隙的绝缘体，表面则是无能隙的金属态，且这些表面态为自旋极化的)，又是一种性能较优异且不含有毒元素的热电材料。选择合适的垒层材料与Bi₂Se₃构成硒化铋超晶格后，与相同厚度的纯化合物Bi₂Se₃单晶薄膜相比，硒化铋超晶格的热导率将大幅度下降而热电功率因子却能得到一定程度的提高，因此其总体热电性能提升明显，如文献1报道的Bi₂Se₃/HA_0.11DMSO_0.06有机/无机超晶格可以显著提高热电优值，室温下功率因数可达950μWm^-1K^-2；硒化铋与普通绝缘体形成超晶格后，体电子浓度下降而拓扑电子态浓度提高，因此其拓扑物性得到加强；改变超晶格垒层材料的化学成分与超晶格的周期厚度还可进一步实现拓扑物性的人工调制，如文献2报道的Bi₂Se₃/Sb₂Te₃超短周期超晶格可以通过改变超晶格周期厚度在保持拓扑表面态的同时降低体电导率，以及文献3报道的Bi₂Se₃/Zn_xCd_1-xSe超晶格可以通过调节杂化结构中非拓扑垒层的电荷转移来控制拓扑输运。目前，由于硒化铟(化学式为：In₂Se₃)与Bi₂Se₃具有良好的化学与结构相容性，大部分硒化铋超晶格结构是由In₂Se₃与Bi₂Se₃构成，但是，文献4的研究发现，采用In₂Se₃作为垒层的硒化铋超晶格，温升条件下In原子穿过超晶格界面扩散进入Bi₂Se₃层的现象十分严重，在温度为250℃时，大量In扩散进入Bi₂Se₃层形成(Bi_1-xIn_x)₂Se₃固溶体，破坏了Bi₂Se₃层的拓扑量子特性以及超晶格理想的界面结构。为了保证Bi₂Se₃/In₂Se₃超晶格的结构稳定，通常在制备与使用过程中的温度不能超过250℃，如文献5公布的Bi₂Se₃/In₂Se₃超晶格的制备技术中，就将生长温度限定为150℃。另外，垒层材料In₂Se₃目前已知的就有α、β、γ、δ和κ五种主要晶相，且各晶相间的相转变温度处于中低温区较窄的温度范围内，In₂Se₃在较低温度下的结构不稳定特性也进一步限制了Bi₂Se₃/In₂Se₃超晶格在拓扑电子学与热电学方面的应用。文献6中还提到，尽管In₂Se₃与Bi₂Se₃晶格结构相似，但仍存在3.3％的晶格失配，随着超晶格周期和厚度的增加，失配引入的应变会导致超晶格周期相干性变差，从而严重影响超晶格的各种性能。因此，为了更好地利用硒化铋超晶格在拓扑量子与热电转换器件中的潜力，有必要找寻一种结构更稳定，性能更优异的超晶格结构并开发出经济的制备方案。