[发明专利]一种Bi4

说明书

本发明涉及一种Bi₄Br₄薄膜及其制备方法，属于半导体材料和拓扑材料领域。所述薄膜为α相Bi₄Br₄。采用分子束外延生长技术，在基底上生长Bi薄膜；所述基底为过渡金属硫族化合物单晶(001)解理面或HOPG(0001)解理面；将BiBr₃采用高温裂解的方式在Bi薄膜的表面上沉积Bi和Br，当沉积在Bi薄膜表面上的薄膜的厚度是Bi薄膜厚度的4～5倍时，沉积结束；当基底为HOPG(0001)解理面时，基底上的薄膜为Bi₄Br₄薄膜；当基底为过渡金属硫族化合物单晶(001)解理面时，基底上的薄膜为BiBr薄膜，对其进行退火处理，得到Bi₄Br₄薄膜。所述Bi₄Br₄薄膜品质良好，制备方法简单。

技术领域

本发明涉及一种Bi₄Br₄薄膜及其制备方法，属于半导体材料和拓扑材料领域。

背景技术

拓扑绝缘体是一种内部绝缘，表面允许电荷移动的材料，拥有自旋轨道锁定的表面态和边缘态。理论上，拓扑绝缘体通过电子结构的调控，能实现无耗散的载流子传输、量子自旋霍尔效应、量子反常霍尔效应。拓扑绝缘体的发现不仅丰富了凝聚态物理的内涵，还可能为自旋电子学、量子计算和光电器件等领域带来深刻的技术变革；并有研究报道拓扑绝缘体可以在红外探测系统、量子传感系统和饱和吸收体方面进行应用。

2007年，维尔茨堡大学Molenkamp研究组成功制备具有拓扑属性的 HgTe/CdTe量子阱，发现量子自旋霍尔效应。2013年清华大学薛其坤研究组在拓扑薄膜(Bi,Sb)₂Te₃中观测到了量子反常霍尔效应。但由于许多拓扑材料体系结构复杂、制备困难且仅能工作在极低温度条件下，因此具有拓扑属性的薄膜一般对材料的选择和制备要求都非常高，目前报道的具有拓扑属性的薄膜材料还非常少。

Bi₄Br₄是一种性能优良的拓扑绝缘体，Bi₄Br₄分为单层材料和多层材料，其中，单层Bi₄Br₄的全局体能隙约为180meV，由于室温引起的能量涨落约为26 meV，所以，理论上该材料可以在室温条件下正常工作；另外，α相Bi₄Br₄材料，其(100)面还保留着起源于拓扑的边缘态，能够显著吸收小于带隙(0.2eV) 的中远红外的光子，在大于7微米中远红外波段具有宽光谱的响应，在新型红外系统中将有重要应用；β相Bi₄Br₄三维块体材料是弱拓扑绝缘体，在单轴应变下，体系将发生拓扑相变，有利于实现拓扑性能的调控。

目前，Bi₄Br₄还只有块体状的材料，通常薄膜状的材料更有利于应用，但是针对Bi₄Br₄材料还没有相关薄膜化的技术报道，因为Bi₄Br₄在常压下的稳定相是α相Bi₄Br₄，具有各向异性的准一维链结构，其链内化学键较强，而链间范德华力较弱，所以，在生长过程中难以形成薄膜；Bi₄Br₄作为一种拓扑绝缘体，薄膜制备的优劣对其性能的影响至关重要，因为薄膜中的缺陷或掺杂都会使Bi₄Br₄薄膜丧失拓扑边缘态导电性；进而会限制Bi₄Br₄这种拓扑材料在工业方面的应用。