王 軍,王安健,杜洪洋,徐 偉,宋玲玲,仇懷利,李中軍

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥 230009)

襯底溫度對Bi2Se3拓撲絕緣體薄膜生長影響的研究

王 軍,王安健,杜洪洋,徐 偉,宋玲玲,仇懷利,李中軍

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥 230009)

文章利用分子束外延方法在藍寶石襯底上制備Bi2Se3拓撲絕緣體薄膜,研究襯底溫度對薄膜生長質(zhì)量的影響。首先對370、380、390、400 ℃襯底溫度下生長的Bi2Se3薄膜樣品,利用反射高能電子衍射儀(reflection high-energy electron diffraction,RHEED)、原子力顯微鏡(atomic force microscope,AFM)進行表面形貌的表征;利用X射線衍射儀(X-ray diffraction,XRD)和X射線能譜儀(energy dispersive X-ray spectroscopy,EDS)對樣品的晶相和化學(xué)組分進行分析篩樣。結(jié)果表明,襯底溫度為390 ℃時制備的Bi2Se3薄膜表面平整、成分接近理想配比、結(jié)晶質(zhì)量較好。最后利用綜合物性測量系統(tǒng)測量了最佳襯底溫度制備的樣品的電學(xué)性質(zhì),表明樣品為n型拓撲絕緣體薄膜。

Bi2Se3;拓撲絕緣體;分子束外延;X射線衍射儀(XRD);反局域化效應(yīng)

拓撲絕緣體內(nèi)部是有帶隙的絕緣態(tài),表面呈金屬態(tài),這種金屬態(tài)由體系的拓撲電子結(jié)構(gòu)決定,且受時間反演對稱性保護,其自旋和動量是鎖定的,不受材料表面結(jié)構(gòu)和非磁性雜質(zhì)的影響。拓撲絕緣體薄膜是一種新型準(zhǔn)二維晶體,它獨特的二維層狀結(jié)構(gòu)和受拓撲保護的表面態(tài)使其表現(xiàn)出許多新奇的物理和化學(xué)性質(zhì),不僅可以借助拓撲絕緣體薄膜來探索一些新奇的物理現(xiàn)象,如量子化反?；魻栃?yīng)、表面臨近相互作用等,而且在新型納米電子器件、自旋電子器件、光子器件、自容錯的拓撲量子計算和表面催化以及清潔能源等方面有巨大的應(yīng)用前景[1]。因此,近年來,二維拓撲絕緣體薄膜是物理學(xué)、材料科學(xué)、電子學(xué)和化學(xué)交叉研究的熱門體系。

制備高質(zhì)量的拓撲絕緣體薄膜是實現(xiàn)應(yīng)用的前提?；冖?Ⅵ族的拓撲絕緣體薄膜,由于依靠弱的范德瓦爾斯力結(jié)合為層狀結(jié)構(gòu),易于在實驗上獲得高質(zhì)量的二維薄膜。由于Bi2Se3具有較大的體帶隙,被認為最有希望實現(xiàn)制備室溫下的低功耗自旋電子器件,吸引大量實驗研究的關(guān)注[2]。拓撲絕緣體及其薄膜的制備方法主要有脈沖激光沉積(pulsed laser deposition,PLD)法、化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)法、金屬有機化合物化學(xué)氣相沉淀(metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD)法和分子束外延(molecular beam exitaxy,MBE)法等。其中,在MBE法中,影響薄膜質(zhì)量的因素很多,如元素流量比、襯底溫度等[1-2]。本文用MBE法制備Bi2Se3拓撲絕緣體薄膜,結(jié)合常規(guī)的表征和測試方法,討論了襯底溫度對薄膜生長質(zhì)量的影響。

1 薄膜的實驗制備

本文所用實驗設(shè)備及其型號見表1所列。

表1 實驗設(shè)備及其型號

首先將切割好的藍寶石(Al2O3)襯底在超聲波清洗器中用丙酮和酒精交叉清洗4次,每次約10 min。然后將藍寶石襯底傳入真空室進行烘烤,烘烤溫度為1 000 ℃,時間為60 min,以除去襯底吸附的雜質(zhì)和氣體。烘烤后真空室的本底真空值約為6.65×10-8Pa。隨后,將襯底溫度降到370 ℃,關(guān)閉樣品臺的擋板,對束源爐升溫,加熱Se和Bi靶材料,使其束流分別達到約1.0×10-4Pa和1.0×10-5Pa,獲得Se和Bi的束流流量比[3]約10∶1。等待束流穩(wěn)定后,打開樣品臺擋板,開始生長樣品,生長時間為50 min,生長速度約為4 nm/min。在襯底溫度為370 ℃下制備Bi2Se3薄膜樣品,標(biāo)記為樣品a。保持其他條件不變,襯底溫度分別為380、390、400 ℃條件下制備Bi2Se3薄膜樣品,分別標(biāo)記為樣品b、樣品c和樣品d。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌和平整度分析

在Bi2Se3薄膜生長完成后,接著利用反射高能電子衍射儀(RHEED)對樣品薄膜表面進行原位測量。根據(jù)RHEED工作原理[4],衍射圖的條線越清晰,說明樣品的表面平整度越好,反映樣品的質(zhì)量高。不同襯底溫度樣品的RHEED衍射圖如圖1所示。由圖1可見,當(dāng)襯底溫度為370 ℃時,樣品a的RHEED衍射圖呈點狀,說明表面粗糙不平整;樣品b的RHEED衍射圖呈點線狀,說明在380 ℃的襯底溫度下制備的Bi2Se3薄膜樣品的表面比370 ℃的樣品稍平整;樣品c的RHEED衍射圖呈尖銳的線狀,說明樣品表面平整,薄膜表面質(zhì)量好;當(dāng)襯底溫度在400 ℃時,樣品d表面RHEED衍射圖呈模糊的線狀,說明樣品d表面較樣品c變差。綜合RHEED測試結(jié)果可見,藍寶石襯底溫度為390 ℃時生長的Bi2Se3薄膜表面較平整,質(zhì)量較好。

圖1 不同襯底溫度制備的Bi2Se3樣品的RHEED衍射圖

利用AFM對不同襯底溫度的樣品表面形貌進行表征,如圖2所示。不同襯底溫度下樣品的粗糙度數(shù)據(jù)見表2所列。

由表2可以看出,無論是平均粗糙度還是均方根粗糙度,樣品c的都是最小的。這與圖2的結(jié)果是一致的。綜合考慮圖1、圖2和表2可見,適當(dāng)增加襯底溫度可以提高樣品表面平整度,且襯底溫度為390 ℃生長的樣品c表面平整、形貌最好。

圖2 不同襯底溫度制備的Bi2Se3樣品的AFM圖

表2 不同襯底溫度制備的Bi2Se3樣品的表面粗糙度

2.2 晶體結(jié)構(gòu)分析

4個襯底溫度下樣品的XRD如圖3所示。從圖3可以看出,制備出的樣品a、b、c、d均為Bi2Se3物相,每個樣品都只能觀察到(00L)晶面的衍射峰,表明4個樣品均沿C軸生長。所有樣品的X射線衍射圖譜在2θ=18.5°附近均出現(xiàn)最強的衍射峰,對應(yīng)為Bi2Se3單晶的(006)晶面。本文結(jié)果與文獻[5]是一致的。

2θ/(°)圖3 不同襯底溫度制備的Bi2Se3薄膜的XRD圖

為了獲得4個樣品的結(jié)晶度情況,現(xiàn)在以最強的(006)衍射峰為例,進行進一步的數(shù)據(jù)分析。根據(jù)4個樣品的XRD圖譜的(006)峰,利用Scherrer公式[6]D=κλ/(βcosθ)計算樣品晶粒尺寸。其中,D為晶粒尺寸;κ為Scherrer常數(shù),取0.9;λ為X射線波長,其值為0.154 06 nm;β為(006)衍射峰的半高寬;θ為衍射角。計算結(jié)果見表3所列。

從表3可以看出,襯底溫度370 ℃時晶粒尺寸較小,襯底溫度適當(dāng)增加到390 ℃晶粒尺寸最大達到71.24 nm,襯底溫度繼續(xù)增加到400 ℃時,晶粒尺寸減小到64.40 nm。可見適當(dāng)增加襯底溫度可以提高Bi2Se3樣品的結(jié)晶度。當(dāng)襯底溫度為390 ℃時,Bi2Se3薄膜的結(jié)晶質(zhì)量最好。

表3 不同樣品的(006)衍射峰的半高全寬和晶粒尺寸

2.3 化學(xué)組分分析

本文利用EDS能譜儀對Bi2Se3樣品a、b、c、d的化學(xué)組分進行分析,其中Bi和Se來自薄膜樣品,Al和O來自藍寶石襯底。Bi2Se3薄膜樣品a、b、c、d的Se和Bi成分的摩爾分數(shù)和摩爾比見表4所列。

從表4可以看出,Se與Bi的摩爾比隨著襯底溫度的增加先增大后減小。可見,襯底溫度對薄膜樣品的元素化學(xué)配比有明顯的調(diào)制作用。其中,襯底溫度為390 ℃的樣品c的Se與Bi摩爾比約為1.46∶1,接近理想配比3∶2。

表4 不同襯底溫度制備的Bi2Se3薄膜樣品的化學(xué)組分

2.4 電學(xué)性質(zhì)測試

從上述對不同襯底溫度制備的Bi2Se3薄膜樣品的表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)組分分析可以看出,襯底溫度為390 ℃樣品的質(zhì)量最好。

因此,本文利用PPMS測量該樣品的電學(xué)性質(zhì)。樣品R-T曲線、磁阻曲線和霍爾電阻曲線如圖4所示。

圖4 樣品c的R-T曲線、磁阻曲線和霍爾電阻曲線

由圖4a可知，在25～300 K范圍內(nèi),薄膜樣品電阻隨著溫度降低而降低,表現(xiàn)出金屬導(dǎo)電行為;在2～25 K范圍內(nèi),薄膜電阻隨著溫度的降低電阻幾乎不發(fā)生變化,表明靜態(tài)無序是體系主要的散射機制[7-8]。

從圖4b可以看出,在不同的測量溫度下,由于弱的反局域化效應(yīng),電阻都隨著磁場的增大而增加,即表現(xiàn)為正磁阻現(xiàn)象。在高磁場強度區(qū)磁阻變化不明顯;在0～0.5 T范圍,測量溫度越低,電阻增加得越劇烈,呈現(xiàn)出弱局域化現(xiàn)象[9]。本文的結(jié)果與文獻[10]結(jié)果一致。

從圖4c可以看出,不同測量溫度下,霍爾電阻的斜率均為負值,表明襯底溫度390 ℃制備的Bi2Se3樣品為n型拓撲絕緣體薄膜。這可能是由于Bi2Se3薄膜樣品在生長過程中Se原子極易從表面脫離而形成Se空位,使樣品多余出電子而形成n導(dǎo)電特性。這與文獻[11-12]結(jié)果一致的。

3 結(jié) 論

本文用分子束外延方法制備Bi2Se3薄膜,討論了襯底溫度對薄膜生長的影響。通過對不同溫度下薄膜樣品RHEED、AFM、XRD和EDS測量結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),襯底溫度為390 ℃生長的樣品質(zhì)量最好。最后,利用綜合物性測量系統(tǒng)對該樣品進行電學(xué)性質(zhì)測試,并與之前的結(jié)果比較,發(fā)現(xiàn)薄膜樣品具有明顯的拓撲特性。

[1] 李輝,彭海琳,劉忠范.拓撲絕緣體二維結(jié)構(gòu)與器件[J].物理化學(xué)學(xué)報,2012，28(10):2423-2435.

[2] 呂莉，張敏，楊立芹，等.拓撲絕緣體 Bi2Se3 單晶體的研究進展[J].材料導(dǎo)報，2013，27(11):7-12.

[3] 張翼，何珂，馬旭村，等.拓撲絕緣體薄膜和有限尺寸效應(yīng)[J].物理學(xué)報,2011，40(7):435-439.

[4] 郎佳紅.GaN ECR-PEMOCVD生長表面RHEED圖像研究[D].大連:大連理工大學(xué),2004.

[5] WEI Z T，LV L，ZHANG M，et al.Tuning of electrical and magnetic transport properties in Bi2Se3topological insulator crystals doped with Mn [J].Journal of Superconductivity and Novel Magnetism，2015，28(7):2083-2088.

[6] 余焜.材料結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ) [M].北京:科學(xué)出版社,2010:248-252.

[7] WANG Y，DEORANI P,BANERJEE R,et al.Topological surface states originated spin-orbit torques in Bi2Se3[J].Physical Review Letters，2015，114(25):257202

[8] BANSAL N,KIM Y S,BRAHLEK M,et al.Thickness-independent transport channels in topological insulator Bi2Se3thin films[J].Physical Review Letters，2012，109(11):651-657.

[9] LANG M，HE L，KOU X F，et al.Competing weak localization and weak antilocalization in ultrathin topological insulators [J].Nano Letters，2013，13(1):48-53.

[10] YANG Q I，DOLEV M.Emerging weak localization effects on a topological insulator-insulating ferromagnet (Bi2Se3-EuS) interface[J].Physical Review B，2013，88:081407.

[11] ZHOU B，LIU Z K，ANALYTIS J G，et al.Controlling the carriers of topological insulators by bulk and surface doping[J].Semiconductor Science and Technology，2012，27(12):124002.

[12] MATETSKIY A V，KIBIREV I A，HIRAHARA T，et al.Direct observation of a gap opening in topological interface states of MnSe/Bi2Se3heterostructure[J].Applied Physics Letters，2015，107(9):091604.

InfluenceofsubstratetemperatureonthegrowthoftopologicalinsulatorBi2Se3thinfilm

WANG Jun,WANG Anjian,DU Hongyang,XU Wei,SONG Lingling,QIU Huaili，LI Zhongjun

(School of Electronic Science and Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The influences of substrate temperatures on the growth of Bi2Se3thin films were studied. The Bi2Se3thin films were prepared on sapphire substrate with the different temperatures of 370 ℃, 380 ℃, 390 ℃ and 400 ℃ by molecular beam epitaxy(MBE) method. The samples were characterized by using reflection high-energy electron diffraction(RHEED) and atomic force microscope(AFM). And the crystal phase and chemical compositions of the samples were analyzed by using X-ray diffraction(XRD) and energy dispersive X-ray spectroscopy(EDS). The results indicate that the sample prepared at the substrate temperature of 390 ℃ has better surface morphology, crystal structure and nearly ideal chemical composition. The electrical properties measured by Physical Property Measurement System(PPMS) further show that this sample is n-type topological insulator thin film.

Bi2Se3; topological insulator; molecular beam epitaxy(MBE); X-ray diffraction(XRD); anti-localization effect

2016-03-21；

2016-03-31

國家自然科學(xué)基金資助項目(21503061);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資助項目(JZ2015-HGXJ0184)和國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃資助項目(201510359035)

王 軍(1990-),男,安徽阜陽人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生;

李中軍(1976-),男,安徽霍邱人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.11.028

O484.1

A

1003-5060(2017)11-1581-04

(責(zé)任編輯 閆杏麗)