单层Bi_2Se_3拓扑绝缘体薄膜电子结构与光学性质的理论研究

文章利用第一性原理计算研究了厚度为1QL(quintuple layer)的Bi_2Se_3单层薄膜的成键特点、电子结构和光学性质。电荷密度差分分析表明,1QL薄膜内Bi与Se原子层间除表现为强度不同的共价键成分外,还有电荷转移引起的弱的离子键成分。光学性质计算表明,薄膜的光学性质表现出不同于体相的特征。介电函数虚部在低能区和高能区分别出现2个多峰结构,而且相对于体相,2个多峰结构分别发生明显的蓝移和红移现象。低能区的蓝移与近期的实验结果是一致的,而高能区的红移是首次预测的。结合电子结构计算,把蓝移和红移归因于表面电子态之间以及表面与体电子态之间耦合作用所致。此外,相对于体相,在介电函数实部和电子能量损失谱中也观察到峰位移动,而且反射系数的多峰结构的能量分布范围比较广,表明薄膜具有较低的光学透明度。     

掺Mn拓扑绝缘体Bi_2Se_3薄膜的制备及其电磁特性研究

文章利用分子束外延(molecular beam epitaxy,MBE)法在蓝宝石衬底上制备拓扑绝缘体Bi_2Se_3和掺杂Mn的拓扑绝缘体Bi_2Se_3的异质结薄膜。利用反射高能电子衍射仪(reflection high-energy electron diffraction,RHEED)和X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)对不同条件制备的样品晶相进行分析,获得最优的制备参数,主要包括衬底温度为390℃、Bi和Se的流量比为1∶10以及Mn流量对应的温度为590℃;利用综合物性测量系统(physical property measurement system,PPMS)测量了样品的温度电阻、磁电阻和霍尔电阻。测量结果表明,与纯Bi_2Se_3薄膜相比,Bi_2Se_3和掺杂Mn的Bi_2Se_3构成的异质结薄膜的电阻随温度的升高表现出金属性-绝缘性的转变和更强的磁阻特性,而且由于异质层间的近邻效应导致异质薄膜表现出p型导电特性。     

Bi_2Se_3纳米片的生长及其圆偏振光电流

采用化学气相沉积法制备三维拓扑绝缘体Bi_2Se_3纳米片,对其进行详细的表征并研究样品的圆偏振光致电流.在1 064 nm圆偏振激光激发下,Bi_2Se_3纳米片的圆偏振光致电流强度随着入射角的增大而逐渐增大.研究发现,圆偏振光电流强度随着温度的降低先增大后减小,这与动量弛豫时间及电子空穴复合率相关.此外,通过外加离子液体栅压调控Bi_2Se_3纳米片的圆偏振光致电流,其强度随着外加偏压的增大而减小,这是由于所测得的圆偏振光致电流由拓扑绝缘体Bi_2Se_3表面信号与二维电子气信号叠加形成,且二者方向相反导致.     

衬底温度对Bi_2Se_3拓扑绝缘体薄膜生长影响的研究

文章利用分子束外延方法在蓝宝石衬底上制备Bi_2Se_3拓扑绝缘体薄膜,研究衬底温度对薄膜生长质量的影响。首先对370、380、390、400℃衬底温度下生长的Bi_2Se_3薄膜样品,利用反射高能电子衍射仪(reflection high-energy electron diffraction,RHEED)、原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)进行表面形貌的表征;利用X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)和X射线能谱仪(energy dispersive X-ray spectroscopy,EDS)对样品的晶相和化学组分进行分析筛样。结果表明,衬底温度为390℃时制备的Bi_2Se_3薄膜表面平整、成分接近理想配比、结晶质量较好。最后利用综合物性测量系统测量了最佳衬底温度制备的样品的电学性质,表明样品为n型拓扑绝缘体薄膜。     

外力应变对Bi_2Se_3拓扑绝缘体能带调控的第一性原理研究

采用密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,研究了拓扑绝缘体Bi_2Se_3在外力应变作用下的电子结构变化.首先对Bi_2Se_3块体结构在不同外力应变下进行了充分的原子弛豫,得到稳定的构型.主要通过改变初始结构的晶格常数的方法来构建沿层内施加外力应变的模型.接着通过能带、态密度(DOS)等分析手段研究不同外力应变下Bi_2Se_3的电子结构演化.研究结果表明:施加应变会使Bi_2Se_3的体能带发生偏移,偏移的幅度与应变大小相关,在压力应变逐渐加大的过程中Γ点附近的能带上移,并能够观察到M形的反转能带,而在拉应变增大的过程中Γ点附近的能带下移,且没有明显的能带反转现象,这些变化导致了Bi_2Se_3经历从半导体到导体的转变.     

拓扑绝缘体Bi_2Te_3薄膜电子结构第一性原理研究

采用基于密度泛函理论第一性原理从头计算的MedeA-VASP软件包,在计算电子结构时考虑自旋轨道耦合作用的情况下,系统地计算了拓扑绝缘体Bi_2Te_3体块及其密排面(0 1 1-5)薄膜从1层到6层的电子结构.通过计算发现,Bi_2Te_3体块是带隙为0.146eV的半导体,随着薄膜层数的逐渐递增,Bi_2Te_3密排面(0 1 1-5)薄膜出现了无能隙的拓扑表面态,这一结果与Bi_2Te_3(111)面的结果一致.     

拓扑绝缘体Sb_2Te_3和Bi_2Te_2Se薄膜电子结构的第一性原理研究

为理解拓扑绝缘体纳米薄膜的电子性质,采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法系统研究拓扑绝缘体Sb2Te3和Bi2Te2Se密排面(0115)薄膜由1层增加到5层的电子结构。通过计算发现对于Sb2Te3密排面(0115)薄膜,随着薄膜层数递增,G点的能隙逐渐减小,当膜厚为5层时,薄膜表现出金属态;Bi2Te2Se密排面(0115)薄膜电子结构也表现出类似的特性。研究结果表明:随着薄膜厚度的增加,Sb2Te3和Bi2Te2Se(0115)薄膜不具有体材料绝缘性,却表现出拓朴绝缘体表面无能隙的金属性。     

拓扑绝缘体Bi2Se3光电性能研究

文章基于分子束外延法(molecular beam epitaxy,MBE)制备高质量的硒化铋(Bi_2Se_3)薄膜,运用反射式高能电子衍射仪(reflection high-energy electron diffraction,RHEED)表征样品的生长质量。在Bi_2Se_3和Ge上将蒸镀铟(In)电极和银(Ag)电极分开,并将其制成肖特基结光电探测器,据此测量了样品在不同波长激光和不同温度下的光响应特性及低温对样品的影响,并通过计算样品的响应度、开关比、探测率等参数分析了拓扑绝缘体在光电探测方面的应用前景。     

GaAs纳米颗粒复合薄膜光吸收特性研究

对射频磁控共溅射技术制备的GaAs半导体纳米颗粒复合薄膜光吸收特性进行了研究.与大块GaAs材料相比,复合薄膜的光学吸收边发生了明显的蓝移,GaAs颗粒尺寸3 2nm的复合薄膜吸收边蓝移达1 16eV.     

准一维磁性隧道结中的散粒噪声

基于自由电子近似,研究了铁磁金属/绝缘体/铁磁金属(FM/I/FM)隧道结中的散粒噪声.计算结果表明:不同自旋取向的电子Fano因子随绝缘体厚度的增大而增大;当绝缘体厚度较小时,上、下自旋电子的Fano因子随入射电子能量的增大缓慢减小,当绝缘体厚度较大且电子能量处于低能区时不同自旋方向的电子Fano因子相同,但在高能区上、下自旋电子Fano因子急剧减小且出现共振特性.此外,上、下自旋电子的Fano因子随两端铁磁体中分子场和磁矩夹角的变化表现出明显的分离特性.上、下自旋电子的Fano因子和隧穿电导随绝缘体厚度和入射电子能量的变化位相始终相反.     

低温溅射AIN薄膜的光学分析

本文用光谱分析的方法研究低温反应射频溅射生长的A1N薄膜。结果表明,薄膜的红外吸收谱在700cm~(-1)处有一吸收带,与块状晶体相同,因此有较宽的红外透过区。热处理后红外谱无明显变化。薄膜的紫外吸收谱表明:禁带宽度为5.9～6.0eV,在N_2中热处理后,吸收过不发生平移,禁带宽度也不发生变化。在O_2中处理两小时后,禁带宽度减小到5.7eV。所有热处理都使非指数尾部变化。     

第一性原理研究Bi_2Te_3材料及在应变作用下的电子结构变化

通过第一性原理系统地研究了Bi_2Te_3块体和薄膜的电子结构及其在应变下的电子结构变化。计算结果表明:Bi_2Te_3块体属于直接带隙半导体,宽度约为0.177eV,Bi_2Te_3单QL(Quintuple layer)薄膜则呈现间接带隙特征,带隙值约为1.031eV;在不超过3%的应变作用下,块体和薄膜材料的能带结构不受影响,但带隙宽度随应变增加成线性变化关系。     

掺杂与应力对ZrO2薄膜电子结构和光学性质的影响

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法系统地研究了掺杂和应力对ZrO_2薄膜的电子结构与光学性质的影响.本文首先研究了Hf原子替代掺杂对ZrO_2薄膜物性的影响,研究结果表明,Hf原子掺杂减小了ZrO_2薄膜的带隙和态密度大小,可在一定程度上降低其表面缺陷电荷和漏电流.掺杂Hf原子后介电峰和吸收峰的值明显下降,同时介电峰和吸收峰的波形均出现了窄化现象,半高宽显著减小.本文也着重研究了不同应力下四方晶相ZrO_2薄膜物理性质变化及规律.研究发现压应力显著调控了ZrO_2薄膜的带隙以及价带顶和导带底附近的能带结构.施加应力后吸收峰的吸收范围和强度均显著增大,峰值对应的光子能量蓝移则表明对紫外光的吸收随着应力的增加有所增强.在低能量红外和可见光区域,施加压应力后ZrO_2薄膜的折射率变大,但在紫外线区域,压应力使ZrO_2薄膜的折射率呈现出先增大后减小的波动特性.上述研究结果为ZrO_2薄膜材料的设计与应用提供了理论依据.     

非晶GaAs_(1-x)N_x薄膜的形貌和光学性能

采用磁控溅射方法在硅片上,成功制备了不同氮偏压下的非晶GaAs1-xNx薄膜.结合AFM和光谱仪等手段对样品进行了表征,结果表明:随着氮气的引入,α-GaAs薄膜的球状颗粒转变为针状颗粒;并且随着氮偏压的升高,针状颗粒密度逐渐增大,薄膜表面的粗糙度逐渐减小;随着氮偏压的升高,a-GaAs1-xNx薄膜的光吸收边明显蓝移.     

ZnO:Al透明导电薄膜的制备及其光电性能的研究

利用溶胶-凝胶法在石英衬底上制备Al3+掺杂ZnO薄膜,研究了Al3+掺杂对ZnO薄膜微结构和光学性能的影响.XRD测量结果表明,Zn1-xAlxO薄膜具有六角纤锌矿结构,晶格常数随着Al掺杂浓度的增加而减小;紫外-可见透射光谱(UV)表明,所有薄膜在可见光区的透过率均超过80%;光致发光谱研究发现,随着Al掺杂浓度的增加ZnO的吸收带边发生蓝移,XRD和光学性能研究都证实了ZnO薄膜中的Al3+是以替位式形式存在于晶格中.     

Mo-Al_2O_3光谱选择性吸收涂层的制备及热稳定性

光谱选择性吸收涂层是提高太阳能光热转换效率的核心部分,其在太阳光能量集中的光谱波段保持较高吸收率,同时拥有较低的红外发射率,即减少自身向外辐射的能量.选用直流-射频磁控溅射镀膜的方法,在抛光的316L不锈钢基片上制备了以金属Mo为红外反射层,Mo-Al_2O_3为吸收层,Al_2O_3为减反射层的Mo/Mo-Al_2O_3/Al_2O_3选择吸收膜系,并对其进行大气中400℃退火处理,分析其热稳定性和选择吸收性能的衰减机理.通过实验优化,具有双吸收层结构的选择吸收膜系具有最优的选择吸收性能,吸收率为0.922,发射率为0.029.所制备的薄膜表面平整致密,无明显的大颗粒缺陷.对优选制备参数下的选择吸收膜系进行退火处理,结果表明退火后选择性吸收膜系的发射率上升约1.6%,膜系的反射率极小值的位置与退火前无明显变化,反射率骤升阈值均发生蓝移.利用拉曼光谱对太阳能选择性吸收膜系的高温热稳定性进行分析,当退火时间为1、3h时,开始出现了MoO_3特征峰,说明空气中的氧原子向吸收层中进行了扩散,当退火时间达到5h时,出现了Fe_2MoC的特征峰,说明吸收涂层各亚层之间的元素发生了迁移.     

沉积偏压对2024铝合金表面类金刚石薄膜结构及性能的影响

利用等离子体增强化学气相沉积技术,在2024铝合金表面制备类金刚石(DLC)薄膜,以改善铝合金表面机械性能。利用拉曼光谱及红外光谱,对不同沉积偏压下制备DLC薄膜的成分及结构进行表征;利用摩擦磨损试验机、纳米压痕仪及台阶仪等,分别对不同沉积偏压下制备DLC薄膜的耐磨性、硬度、弹性模量及薄膜厚度进行检测,并探讨了沉积偏压对薄膜结构及性能的影响规律及影响机制。研究表明:随着沉积偏压增大(1 800～2 600 V),薄膜厚度、硬度及弹性模量均先增大后减小。当沉积偏压为2 400 V时,DLC薄膜厚度最厚,硬度及弹性模量最高。当沉积偏压为2 600 V时,薄膜的H/(Ef)最高,并且摩擦系数从基体的0.492降低至0.095 8。     

不同厚度三维拓扑绝缘体Sb2Te3的圆偏振光电流光谱研究

本文研究了不同厚度三维拓扑绝缘体Sb2Te3的圆偏振光致电流光谱。研究表明，在1064纳米圆偏振激光激发下，厚度为7纳米的三维拓扑绝缘体Sb2Te3薄膜的圆偏振光致电流与厚度为30纳米的样品的符号相反。原子力显微镜的分析表明30纳米的样品比7纳米的样品具有更大表面粗糙度，这使得30纳米样品的上表面态对圆偏振光致电流的贡献减小，使其下表面态的贡献占主导。而7样品的样品是上表面态的贡献占主导，从而相比厚度为30纳米的样品出现了反号。研究表明，在960纳米激光激发下，厚度为30纳米和7纳米的样品呈现相同的符号。进一步研究表明这个信号可能与InP衬底的自旋注入有关。     

界面电子转移对纳米TiO2薄膜导电性的影响

研究纳米TiO₂薄膜的导电性与薄膜厚度和基底材料的关系. 结果表明， 沉积在Ti和Si基底上的TiO₂薄膜的电阻率随着膜厚的 增加而非线性增大, 分别经历了导体、 半导体到绝缘体或半导体到绝缘体的电阻率范围的变化过程， Ti O₂薄膜导电层厚度也不相同， 沉积在玻璃表面TiO₂薄膜为绝缘体. 这些现象是界面电子在界面的转移所致， 基底材料与薄膜功函数差的大小决定了导电层厚度.     

热处理对溶胶—凝胶TiO2薄膜的特性影响

研究了热处理对溶胶－凝胶法制备的TiO2薄膜材料的晶体结构、致密化以及光学特性的影响,结果表明TiO2溶胶颗粒的最低结晶化温度为400℃,晶体尺寸随着热处理温度的升高而增大;TiO2薄膜的厚度随着热处理温度的升高从120nm减小到47nm,相应的折射率则从1．85增加到2．3;同时,TiO2薄膜的孔洞率随着热处理温度的升高0．23降低到0．122,密度则从2．83g.cm^-3增加到3．73g.cm^-3。