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随着晶体管尺寸的不断减小,集成电路上可容纳的元器件数目已经接近硅工艺所容纳的物理极限,集成电路的发热问题愈发严重,热损耗已接近总能耗的一半。如何降低集成元件材料中电子的碰撞和散射作用,使电子有序高速运行,以减少能耗是自旋电子学领域亟需解决的问题。拓扑绝缘体中表面态的电子由于受强的自旋轨道耦合作用,会形成线性的能量色散关系,具有自旋动量锁定作用,导致不同自旋方向的电子朝着相反方向运动,不再受背散射作用,电子可以实现高速无能耗的输运。拓扑绝缘体Bi2Se3是所有第二类三维拓扑绝缘体中体能隙最大,表面态能带结构最简单的,但其制备过程中易形成本征缺陷(反位缺陷Bise,Se空位VSe),电学和光学等输运过程中常常以体态的电子为主,造成表面态电学和光学性质不佳。如何抑制体态的贡献,增强表面态电子在输运过程中的占比是我们需要研究的重点方向。据此,本文研究了元素掺杂效应和几何结构对拓扑绝缘体Bi2Se3的电学和光学性质的调控作用。(1)通过非磁性元素Cu和磁性元素Cr掺杂实现了对拓扑绝缘体Bi2Se3表面态的有效调控。非磁性元素Cu掺杂使薄膜拓扑表面态增强,导致温度依赖性的线性磁电阻行为,磁性元素Cr掺杂破坏了拓扑表面态线性色散关系,形成不随温度变化的抛物线型磁电阻行为,因而非磁性元素Cu掺杂可以有效地增强拓扑表面态输运性质,而磁性元素Cr掺杂会破坏拓扑表面态输运性质。从线性磁电阻到抛物线型磁电阻转变是一种拓扑非平庸态到平庸态转变的有力判据。在Cu掺杂的Bi2Se3的电输运性质的研究中还发现了新奇的电荷离域化和驰豫行为,并探究了其作用机理。(2)制备一种新的方向可控、垂直生长的纳米片结构连续膜以实现拓扑绝缘体Bi2Se3表面态的调控。这种调控方式不同于通常的通过抑制体态载流子浓度,调节其化学势来增强表面态的方法。通过这种新颖的结构设计,可以使薄膜具有高的比表面积,提高表面态在材料中的占比,从而增强表面态输运性能。(3)通过化学势和几何结构实现对拓扑绝缘体Bi2Se3光电性能的优化。通过垂直生长的纳米片结构,可以制备出高比表面积的薄膜,从而提高有效光吸收面积。在此基础上进一步通过Cu掺杂,抑制Bi2Se3体态载流子浓度,增强了表面态电子的输运性质。通过化学势和几何结构两方面的调控有效地提高了拓扑绝缘体Bi2Se3薄膜光电探测器的性能。