Bi2Se3纳米片的生长及其圆偏振光电流的研究

本文采用化学气相沉积法制备了三维拓扑绝缘体Bi₂Se₃纳米片。对Bi₂Se₃纳米片进行了详细的表征并研究了样品的圆偏振光致电流。在1064纳米圆偏振激光激发下,Bi₂Se₃纳米片的圆偏振光致电流强度随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,我们还通过外加离子液体栅压调控Bi₂Se₃纳米片的圆偏振光致电流,圆偏振光致电流强度随着外加偏压的增大而减小,这是由于我们所测得的圆偏振光致电流由拓扑绝缘体Bi₂Se₃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。     

磁性掺杂三维拓扑绝缘体的自旋相关光电流研究

通过圆偏振光致电流及反常圆偏振光致电流的光学实验方法,研究磁性掺杂对三维拓扑绝缘体的影响.在圆偏振光激发下,相对于未掺杂三维拓扑绝缘体Bi2 Te3,其光电流方向不变,但幅值有所减小.这是由于磁性掺杂使得三维拓扑绝缘体狄拉克能带带隙打开,相同激发条件下,带间激发概率降低,光生自旋极化载流子浓度降低.对其光电导信号的分析...     

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。     

少层Bi_2Se_3拓扑绝缘体薄膜电子结构和光学性质理论研究

文章采用密度泛函理论方法,研究少层Bi_2Se_3拓扑绝缘体薄膜的电子结构和光学性质随薄膜厚度的变化。能带结构和态密度分析发现,当薄膜厚度从5QL(quintuple layer)逐步变化到1QL时,其费米能级附近的电子态仍然保持线性色散关系;特别是当薄膜厚度减小到2QL和1QL时,由于量子限域效应,体电子态和表面电子态的能隙都明显增大,导致体电子态和表面电子态发生分离,这种分离有利于制备基于1QL和2QL的Bi_2Se_3拓扑绝缘体薄膜的自旋电子器件。光吸收系数的计算发现,厚度为5QL、4QL、3QL的薄膜在红外区有1个吸收主峰,吸收边远超出了红外区;当厚度减小到2QL和1QL时,吸收边发生明显蓝移,红外区的吸收峰蓝移且强度明显减小,这表明3QL以上的Bi_2Se_3拓扑绝缘体薄膜更适合制备红外光探测器件。     

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.     

Bi2Se3纳米线的生长及其圆偏振光电流的研究

采用化学气相沉积法制备拓扑绝缘体Bi₂Se₃纳米线.系统分析生长温度和气体流量对Bi₂Se₃纳米线的形貌、晶体质量的影响,并研究Bi₂Se₃纳米线的圆偏振光致电流.研究结果表明,Bi₂Se₃纳米线的最佳生长温度为530℃,气体流量为30 mL·min^-1.通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉曼等表征手段,表明所生长的Bi₂Se₃纳米线具有较高的质量. Bi₂Se₃纳米线的光电流随着四分之一波片的变化表明,Bi₂Se₃纳米线具有较强的自旋轨道耦合效应.圆偏振光致电流随入射角的增大而减小,这是因为Bi₂Se₃的对称性结构为C_3V.相比Bi₂Se₃薄膜或者B...     

不同厚度三维拓扑绝缘体Sb2Te3的圆偏振光致电流光谱

针对观察到厚度为7 nm的三维拓扑绝缘体Sb_2Te_3薄膜的圆偏振光致电流与厚度为30 nm样品的符号相反这一情况,提出进一步利用原子力显微镜表征的方法.利用1 064 nm圆偏振激光的激发,发现30 nm的样品比7 nm的样品具有更大表面粗糙度,从而得到30 nm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 nm的样品为上表面态的贡献占主导,故相比厚度为30 nm的样品出现了反号这一结论.同时利用960 nm激光激发样品,发现厚度为30和7 nm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.     

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。     

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。     

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。     

交换场和非共振光对单层MoS2能带结构的调控

基于紧束缚近似下的低能有效哈密顿模型,研究了外部磁近邻交换场和非共振圆偏振光对单层二硫化钼（MoS₂）电子能带结构的调控.研究结果表明,磁近邻交换场能有效调控导带和价带的自旋劈裂,单层MoS₂ K谷附近能隙随着非共振圆偏振光引起的有效能的增大而增大,K′谷附近能隙随着非共振圆偏振光引起的有效能的增大先减小后增大,实现半导体-金属-半导体转变.因而,可以利用磁近邻交换场和非共振圆偏振光将单层MoS₂调制成自旋和光电特性优异的新带隙材料.     

拓扑绝缘体量子点中的磁交换相互作用

从理论上研究了拓扑绝缘体量子点中的磁交换相互作用.在拓扑绝缘体量子点中,边缘态电子数可以通过量子点的尺寸和外加电场进行调控.当量子点中掺入单个磁离子并且边缘态填充奇数电子时,电子与单个磁离子之间的交换相互作用达到最大值;而边缘态填充偶数电子时,电子与单个磁离子之间的交换相互作用消失.当量子点中掺入2个磁离子时,电子与Mn离子的sp-d相互作用会出现奇偶振荡行为,Mn离子间的相互作用取决于Mn离子间距和量子点壳层中的电子数,表现出典型的Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida型间接交换机制.工作澄清了拓扑绝缘体量子点壳层结构对其磁性的影响,有助于人们设计基于拓扑绝缘体量子点的自旋电子学或量子信息器件.     

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。     

Bi2(Se0.53Te0.47)3纳米线的制备及其圆偏振光致电流效应

采用化学气相沉积法制备Bi₂(Se_0.53Te_0.47)₃纳米线,利用扫描电子显微镜和X射线能谱仪对其进行表征,并研究样品的圆偏振光致电流效应(circular photogalvanic effect, CPGE).利用1 064 nm激光激发,分别测试激光入射面垂直于纳米线和平行于纳米线时的CPGE电流.实验结果表明,测得的CPGE电流主要来自纳米线的拓扑表面态.激光垂直入射纳米线时的CPGE电流不为0,说明CPGE电流来源于纳米线能带的六角翘曲效应.本研究测得的Bi₂(Se_0.53Te_0.47)₃纳米线的CPGE电流比文献报导的Bi₂(Te_0.23Se_0.77)₃纳米线增大2倍以上,这是因为Te组分的增加不但使得费米能级更加靠近狄拉克点,还降低了纳米线中载流子复合的概率,二者共同作用,使得CPGE电流增大.     

Bi_(0.96)Sb_(0.04)单晶体的量子振荡及输运性质

铋锑(Bi_(1-x)Sb_x)合金在拓扑绝缘体的研究中具有重要的意义,Bi_(0.96)Sb_(0.04)单晶体的体电子具有类似狄拉克锥型的电子结构,具有特别的研究价值.通过对Bi_(0.96)Sb_(0.04)单晶体输运性质的测量发现其电阻率在温度高于120K呈现出类半导体材料的性质,而在低于120K呈现出类金属材料的性质.外加磁场后,其输运性质在低温和低场时观察到明显的弱反局域化特点.样品的磁电阻在高场下表现出了舒勃尼科夫-德哈斯(Shubnikov de Hass,SdH)振荡,且这一量子振荡在样品的霍尔电阻上表现得更加清晰,霍尔效应和量子振荡实验数据推算的载流子迁移率相互吻合.通过旋转被测样品在磁场中的角度,可以推测出输运过程主要由体电子承担,并得到费米面的大致形状近似为长短轴之比约为1.36∶1的椭球面.     

超级电容器储能和充电效率随电流变化规律探讨

考虑到温度变化等因素的影响,对超级电容器等效电路模型进行了修改,用此模型研究了超级电容器的电容、储能、充电效率随电流强度的变化以及电流强度随充电时间的变化规律.结果表明:1电流强度随充电时间的变化为非线性关系,开始充电时电流强度增大较快,而充电时间较长时则变化较慢;2超级电容器的电容量、储存能量和充电效率均随充电电流强度的增大而非线性地变化,其中,电流较小时,储存能量随充电电流增大而缓慢减小,而效率则随电流增大而增大,当达到极大值后,储存能量和充电效率均较快减小;3研究超级电容器的储能和充电效率等随充电电流的变化规律时,应考虑到温度变化等因素的影响.用修改后的等效电路模型,其理论计算与实验结果较为一致.     

GaAs中电子自旋极化的浓度依赖研究

采用时间分辨圆偏振光抽运-探测光谱,研究本征GaAs中导带底附近电子初始自旋极化和自旋弛豫动力学.发现电子初始自旋极化度小于通常认为的0.5,并随光注入载流子浓度的增大而减小.假设右旋圆偏振光激发到导带的自旋取向,向上与向下电子浓度之比为13,理论计算的电子初始自旋极化度随载流子浓度变化关系与实验结果很好的符合.计算结果同时表明,带隙重整化效应对电子初始自旋极化度有较大影响,但电子初始自旋极化度小于0.5的现象并非起源于带隙重整化效应.     

外加电场和磁场对外尔半金属能带结构的调控

基于紧束缚近似下的低能有效哈密顿模型，研究了外加电场、外加磁场及同时外加电场和磁场对外尔半金属电子能带结构的调控作用.结果表明，仅在正向(负向)电场作用下，随着电场强度的不断增大，体系的外尔点逐渐向布里渊区边界(布里渊区中心)移动，当电场强度增大到一定程度时，可以实现半金属向半导体或绝缘体的转变；仅在外加磁场作用下，外尔半金属可以形成分立的朗道能级，n=0子带不随着磁长度的增加而变化，n=1和n=2子带随着磁长度的增加不断向费米能级靠近，且相同指标导带和价带间的能隙不断减小；在保持磁长度不变的条件下，体系的外尔点随着外加正向(负向)电场强度的增大逐渐向布里渊区边界(布里渊区中心)移动，在适当的外加电场作用下，n=0子带由部分占据的价带变为第一导带或完全占据的第一价带，实现半金属向半导体或绝缘体的转变.     

纳米带中涡旋畴壁在磁场驱动下的振荡行为

利用微磁学模拟软件(OOMMF),对坡莫合金纳米带中涡旋畴壁在略高于Walker极限的磁场驱动下的动力学行为进行模拟,分析外磁场强度、纳米带尺寸及自旋极化电流对畴壁振荡频率的影响。结果表明,纳米带中涡旋畴壁的振荡频率随外磁场强度的增大而增加,随着纳米带宽度的增加呈先增加后减小再增大最后基本保持不变的趋势;外加与磁场方向相反的平衡电流,虽然不改变畴壁振荡频率随外磁场强度和纳米带宽度的变化规律,但能起到减小畴壁振荡频率的作用,且平衡电流随外磁场强度和纳米带宽度的变化趋势与畴壁振荡频率基本相反,而其随着阻尼系数的增大而线性增加。