拓扑绝缘体Bi2Te3的制备及其掺杂效应研究

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拓扑绝缘体自发现以来备受科学界的关注,主要是因为它具有不同于传统意义上的金属和绝缘体的奇特性能。它的表面具有无能隙的表面态,表现出金属行为,并且表面态的电子自旋方向相反,体内是有能隙的绝缘态,表现出绝缘行为。这种表面态是由体电子态的拓扑性质决定的,受时间反演对称保护,不易受到体系中的缺陷和杂质的影响,载流子可在表面无散射、无能量损耗的传导。因此该类材料在未来计算机电子器件领域具有非常高的科学价值。其中Bi2Te3材料就是已经被证实具有这种奇特性能的拓扑材料之一。  本文的主要工作就是采用自助溶剂法通过控制单一变量并结合热处理对晶格参数的影响,寻求在较优条件下合成拓扑绝缘体Bi2Te3单晶的实验室制备方法,并成功制备了拓扑绝缘体Bi2Te3材料的高质量单晶样品。制得的Bi2Te3单晶样品表面具有亮金属光泽,质地较软,具有明显的层状结构,沿c轴方向以Te(1)-Bi-Te(2)-Bi-Te(1)为周期堆叠生长,属于六方晶系,空间群为R/3m。  本文还对拓扑绝缘体Bi2Te3做了掺杂研究,选用了非磁性元素Cu和磁性元素Fe作为插位掺杂元素。研究表明Cu能很好的插入样品五原子层(QL-QL)之间,随插入量的增加晶格参数c逐渐增大,系列样品具有明显的层状结构,但表面也有少量的Cu析出。所有样品都表现出金属特性且电阻随外加磁场的增加而增大,并未发现绝缘行为和超导电性。磁电阻随磁场的增加而增大,随温度的增加有明显减小的趋势,x=0.15时样品在9T下MR最大达到60%。Fe插入样品也表现出明显的层状结构,但表面缺陷严重,大部分Fe能很好插入QL-QL层间,有少量的Fe替代了Bi位。系列样品都表现出金属特性,随外加磁场增加电阻增大,在掺入量x=0.025时表现出金属绝缘转变行为,并且转变温度随磁场的增加发生明显的变化。x≧0.05时发现反铁磁转变,转变温度随掺杂量的增加而增大,Fe的掺入能够抑制样品磁电阻,在x=0.025时磁电阻最大,3T下MR高达165%,这种较大MR值的样品材料将会对未来磁电子器件的发展具有重大意义。
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