鉍薄膜的結(jié)構(gòu)與輸送性質(zhì)研究.pdf

1、伴隨著尺度的減小，薄膜材料表現(xiàn)出越來(lái)越多體材料中沒(méi)有體現(xiàn)的物理性質(zhì)，這些性質(zhì)和伴隨而生的現(xiàn)象的原因及其應(yīng)用吸引了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，半金屬(semimetal)鉍(Bi)由于具有極低的載流子濃度、極小的載流子有效質(zhì)量、相對(duì)較大的費(fèi)米波長(zhǎng)，一直被作為研究量子輸運(yùn)效應(yīng)(quantum transport)、有限尺寸效應(yīng)（finite size effect）的重要材料。對(duì)其薄膜的特殊能帶結(jié)構(gòu)、奇特的輸運(yùn)性質(zhì)，一直不斷地有新的認(rèn)識(shí)

2、。但是至今，圍繞鉍薄膜的諸多奇異特性，仍有很多疑問(wèn)和爭(zhēng)辯，它們的來(lái)源仍不完全為人們所知。本論文的主要工作是對(duì)單晶鉍薄膜的生長(zhǎng)與輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了研究與分析。此外，還設(shè)計(jì)了一套超高真空原位輸運(yùn)系統(tǒng)。主要內(nèi)容如下:
　　1.使用分子束外延的方法在氟化鋇(111)表面生長(zhǎng)了單晶鉍(Bi)的薄膜。通過(guò)原位的RHEED和北京同步輻射裝置的掠入射X射線(xiàn)衍射(Grazingangle XRD)，觀察到隨著薄膜厚度的增長(zhǎng)，它的結(jié)構(gòu)從多晶準(zhǔn)立方相過(guò)渡到

3、了單晶六角相，并且我們確定了鉍薄膜在氟化鋇(111)襯底上的不同生長(zhǎng)階段。此外，在電導(dǎo)測(cè)量中也同樣觀察到了這種轉(zhuǎn)變，與RHEED和XRD的結(jié)果一致。
　　2.通過(guò)研究不同厚度、不同溫度下鉍的輸運(yùn)性質(zhì)，證明了即使有金屬性的表面態(tài)存在，在鉍薄膜的體內(nèi)仍然存在半導(dǎo)體相，為長(zhǎng)久以來(lái)的爭(zhēng)論給出了確定的回答。此外，我們還定出了鉍從半金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。
　　3.在了解了鉍薄膜的輸運(yùn)性質(zhì)是由金屬表面態(tài)和薄膜內(nèi)部的半導(dǎo)體共同參與所組成

4、的之后。建立模型，通過(guò)定量的結(jié)果證實(shí)了鉍薄膜的電導(dǎo)和霍爾效應(yīng)中隨厚度、溫度的特殊變化關(guān)系是源于表面態(tài)和體內(nèi)此消彼長(zhǎng)的競(jìng)爭(zhēng)。對(duì)這些被廣泛觀察卻沒(méi)有被很好理解的現(xiàn)象作出了合理的解釋。
　　4.我們通過(guò)研究鉍薄膜在低溫強(qiáng)磁場(chǎng)下的Shubnikov-de Haas振蕩，證實(shí)在鉍薄膜中并不能觀察到理論估計(jì)的周期，表面態(tài)的Shubnikov-de Haas振蕩并不能用來(lái)解釋Quantum limit之外的峰值。
　　5.設(shè)計(jì)了超高真空原