MnTe2薄膜的分子束外延生长及其基本物理性质研究

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二碲化锰(MnTe2)是一种重要的过渡金属硫族化合物半导体,其晶体结构为黄铁矿(pyrite)结构。MnTe2是一种反铁磁半导体,其奈尔温度TN约为86 K,在该温度处,发生二阶反铁磁转变;MnTe2还具有高的塞贝克系数(~400μV/K)和低的晶格热导率,在热电器件应用中展现出高转换效率。目前,MnTe2在薄膜生长技术和基本物理性质,如:电子能带结构、功函数、电子跃迁行为及磁结构等还未开展系统性研究。本论文中,我们通过分子束外延技术,在二维层状的云母表面成功的范德华外延出了多晶的MnTe2薄膜,并通过优化束流比和衬底温度,不断消除了MnTe2多晶薄膜中的杂相、优化了薄膜表面的形貌状况,克服了mica衬底表面无悬挂键和极低的表面能难以大面积外延薄膜的困难。并系统性的研究了MnTe2薄膜的光学、磁学和电学性能。基于范德华外延的MnTe2薄膜与衬底之间的弱结合力,实现了mica衬底上范德华外延MnTe2薄膜的剥离和转移,并制备了MnTe2与Mo S2异质结结构。并通过UPS,I-V和KPFM同时确定了MnTe2的表面功函数。本论文的主要内容和结果如下:一、通过优化范德华外延生长工艺,获得了在mica衬底上生长纯相MnTe2薄膜的最佳工艺条件。利用XRD、AFM和拉曼光谱技术,研究发现生长温度、Mn与Te束流比、可调节Mn-Te外延体系的相结构、生长方向和表面形貌等,从而制备出表面较为平整的(RMS:~3.904 nm)高质量MnTe2多晶薄膜。高分辨透射电子显微镜表明,薄膜与衬底之间界面清晰,晶体外延质量高。二、通过紫外-红外的透射光谱表征并借助Tauc关系,确定了MnTe2为电子直接跃迁的半导体,其带隙为1.39 e V。利用修正的居里外斯关系对M-T曲线拟合,结合场冷和零场冷条件下的M-T关系,发现MnTe2具有非共线的反铁磁结构,其反铁磁的转变温度约为86.2 K。此外,我们还发现在160 K区域,MnTe2薄膜的电阻出现突变现象,表明在此温度附近可能存在结构相变,通过变温拉曼光谱进一步证实了这种现象。三、利用具有不同功函数的金属(Pt、Cr和Ti),研究金属/MnTe2的接触行为和输运性质。研究发现温度范围从160 K到300 K,I-V关系表现为良好的线性,表明MnTe2与这些金属形成欧姆接触,分析了不同金属与所制备MnTe2薄膜始终保持欧姆接触的原因。根据X射线光电子能谱和紫外光电子能谱确定了MnTe2的功函数约为5.07 e V。四、基于MnTe2/mica范德华外延体系之间的弱结合能,实现了MnTe2薄膜的剥离和转移,制备了MnTe2/Mo S2异质结构,该异质结呈现出典型二极管整流特性(整流比RF约为40),异质界面势垒不均匀性,该现象符合Werner-Gutler模型。通过不同温度I-V曲线的拟合分析,得到MnTe2/Mo S2界面势垒高度约为0.1 e V,推算出MnTe2的功函数为5.1 e V,该结果被KPFM测试证实。
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