论文部分内容阅读
碲化铋(Bi2Te3)作为室温热电材料被广泛研究。近年来,Bi2Te3作为三维拓扑绝缘体再次受到人们极大的关注。拓扑绝缘体的体内是有能隙的绝缘态,表面则是无能隙的金属态,在量子计算、自旋电子学等领域有着重要的应用价值。相对于体材料,Bi2Te3低维结构材料,比如薄膜、纳米盘、纳米带等,具有大的比表面积,便于掺杂和栅压调控,并与现代微纳加工技术相兼容,在拓扑绝缘体表面态的研究和器件制备等方面更具有优势。在本论文中,我们利用自主设计的热壁外延生长系统制备了Bi2Te3薄膜和超薄纳米盘,并基于Raman光谱,研究了Bi2Te3薄膜、纳米盘的激光热效应。主要内容和结论如下:1.我们自主设计并搭建了用于Bi2Te3薄膜和纳米结构制备的热壁外延生长系统。利用该系统制备了表面平整、光滑的高质量c轴取向的Bi2Te3薄膜。Bi2Te3薄膜的生长模式是三维岛状生长模式。研究了衬底的温度和晶向对Bi2Te3薄膜微观结构的影响。2.利用改进的热壁外延生长技术,即在生长源和衬底间增加带孔石英挡板,制备了三角形、六边形等形貌的Bi2Te3超薄纳米盘。超薄Bi2Te3纳米盘是以层状模式外延生长的。在Raman光谱中随着纳米盘厚度的减小,拉曼峰的峰位会出现明显的红移。并利用对拉曼峰峰位成像的拉曼图像表征了超薄纳米盘厚度差别。3.通过XPS表征发现暴露在空气中的Bi2Te3薄膜的表面被氧化,利用Raman光谱和XRD证实了氧化物为α-Bi2O3和TeO2。同样,纳米盘的Raman光谱中也出现了上述氧化物的拉曼峰,且纳米盘的氧化程度与其结晶质量相关。这将有助于分析空气中Bi2Te3、Bi2Se3等氧化机制及其表面态衰退。4.利用Raman光谱、Raman成像、SEM和原位AFM研究了在空气中不同激光功率照射引起Bi2Te3薄膜化学性质、形貌的变化。在低功率的激光辐照下,在薄膜表面形成一个大的鼓包,鼓包中Bi2Te3被氧化。在高激光功率照射下,鼓包中心的物质以液态或者气态形式被喷射出来,在鼓包中心留下钉子形状的深孔,形成的Bi2TeO5氧化物颗粒散落在鼓包及其附近区域。Bi2Te3厚纳米盘也产生类似的激光热效应。但当纳米盘的厚度低至十几纳米时,形成了中间凹陷的烧蚀坑,但并没有被氧化。由于烧蚀坑的直径与激光光斑尺寸相当,其周边形貌受到激光辐照的影响较小,因此可以利用激光微纳加工技术来对超薄纳米结构进行微纳结构的加工。