Sb、Te掺杂Bi2Se3拓扑绝缘体纳米片的制备及表面态输运性质研究

The strong topological insulator Bi2Se3 has attracted great interest recently for its potential application in spintronic devices and fault tolerant computations. However, undoped Bi2Se3 is always n type owing to a large amount of Se vacancies. A large background can be induced by bulk electron conduction in transport measurements, and affects the investigation of surface state transport properties seriously. In order to reduce the bulk electron density and suppress the bulk electron conduction, we propose to synthesize Sb- and Te-doped Bi2Se3 nanoplates by means of thermal evaporation. Low-temperature magnetotransport measurements are performed to study the transport properties of surface electrons. The first topic in this project is the preparation of Sb- and Te-doped Bi2Se3 nanoplates with large bulk resistivity and high surface electron mobility. Secondly, physical parameters, including surface electron density, electron effective mass and quantum mobility, will be determined by analyzing Shubnikov-de Haas oscillations, and correspondingly one can study the gate-voltage control of the surface states. Thirdly, by fitting weak anti-localization curve, spin-orbit coupling parameter and electron dephasing rate can be obtained, and then both the spin-orbit coupling mechanism and the electron dephasing mechanism will be discussed. These results can provide the basis for the research and development of new quantum devices.

因有望应用于自旋电子器件和容错量子计算，强拓扑绝缘体Bi2Se3近来引起了人们的极大关注。但是，未掺杂的Bi2Se3中因Se空位的存在总是表现出良好的n型导电性，从而在输运测试中引入很大的体电导背景，给表面态输运性质研究带来极大的困难。针对这一问题，本项目拟采用热蒸发方法制备Sb、Te掺杂的Bi2Se3纳米片，以期望降低体电子浓度，抑制体电导对输运过程的影响。在此基础之上，采用低温磁输运测试手段研究表面态的输运性质。主要研究内容包括：探索体电阻率大、表面电子迁移率高的Sb、Te掺杂Bi2Se3纳米片的制备工艺；通过分析Shubnikov-de Haas振荡，获得表面电子浓度、电子有效质量、量子迁移率，研究栅压对表面态的调控规律；通过拟合反弱局域曲线，有望获得自旋-轨道耦合系数和电子退相干率，从而深入研究该材料中的自旋-轨道耦合机制和电子退相机制。这些结果将为新型量子器件的的研发提供基础。

本项目主要在Bi2Se3纳米结构的制备、Bi2Se3纳米线器件的制备及表面电子态输运性质研究、有机光电器件的结构设计及性能研究等3个方面开展实验研究工作，所得结果主要包括以下几个方面：（1）采用VLS方法成功制备Bi2Se3纳米线和纳米带，Bi2Se3纳米线直径为100 nm左右，长度可达20～30 μm；（2）采用VS方法成功制备Bi2Se3纳米片，大部分纳米片呈现出三角形和六边形的规则形状，尺寸约为2～3 μm，通过控制生长参数可以获得较薄的纳米片；（3）采用EBL技术成功制备Bi2Se3和Bi2(TexSe1-x)3纳米器件并研究了深低温强磁场下表面电子态的输运性质，在纳米线器件中观察到的反弱局域（WAL）效应表明样品中存在较强的自旋-轨道耦合，Te掺杂可以有效抑制体电导对输运过程的影响，拟合磁电导曲线得到电子的退相干长度从1.5 K时的389 nm减小至20 K时的39 nm，遵循T^(-0.96)指数变化规律，表明电子-电子散射和电子-声子散射均起到了十分重要的作用；（4）在真空热蒸发薄膜沉积系统中制备了OLED器件，采用不同的预处理方法对ITO阳极进行修饰，通过能级匹配原则和迁移率优选合适的电子传输层（ETL）材料、对空穴传输层（HTL）进行无机掺杂或者插入空穴注入层（HIL），改善了器件的光电性能和稳定性；（5）将CdSe/ZnS核壳结构量子点掺入有机发光层（EML），构建了基于量子点-有机半导体纳米复合结构的光电压敏传感器，可以响应低至6.4 kPa的压强，并研究了传感器的光电响应特性。这些结果可以为常规电子器件、新型量子器件和有机光电器件的研发提供基础。