含鉍材料的角分辨光電子能譜研究.pdf

1、材料科學(xué)的發(fā)展同凝聚態(tài)物理學(xué)乃至人類社會的進步相輔相成。近年來，隨著計算能力的不斷增強，人們對拓?fù)洳牧系睦碚撗芯看笥幸I(lǐng)實驗的勢頭，眾多過去為人們探索過的材料被證實具有拓?fù)湫再|(zhì)，拓?fù)洳牧现械奈锢硪渤蔀槟蹜B(tài)物理研究的一大熱門。理論對于拓?fù)洳牧项A(yù)言的巨大成功并不意味著人們可以隨心所欲地創(chuàng)造具有特殊性質(zhì)的材料;與此相對應(yīng)，實驗研究在某種程度上顯得愈發(fā)重要，架起超前的理論構(gòu)想與實際應(yīng)用之間的橋梁，實驗材料的研究如今除了需要人們從各種實驗現(xiàn)象出

2、發(fā)，還需要人們時時從繁多的理論中辨清本質(zhì)。從實際應(yīng)用的角度來看，材料復(fù)雜物性的背后，電子結(jié)構(gòu)扮演了至關(guān)重要的角色，直接關(guān)系到材料的電學(xué)或光學(xué)等性質(zhì)。對材料的電子結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)而精確的測量有助于人們理解材料本身的物理性質(zhì)，從而加深人們對一些物理機制的認(rèn)識，甚至幫助預(yù)言新的實用材料，因此具有重要的意義。
　　本論文以同步輻射角分辨光電子能譜和分子束外延技術(shù)為主要研究手段，結(jié)合掃描隧道顯微鏡，針對熱電材料CsBi4Te6單晶和兩個原子層厚

3、的Bi(110)薄膜開展研究。取得了如下的結(jié)果:
　　1.利用同步輻射角分辨光電子能譜直接觀察到了熱電材料CsBi4Te6單晶中大于理論預(yù)期的能帶寬度，間接給出了CsBi4Te6的帶隙范圍。CsBi4Te6是窄帶半導(dǎo)體，其晶體結(jié)構(gòu)和輸運性質(zhì)表現(xiàn)出準(zhǔn)一維的特征，225K時的ZT值達到0.8，此外，在載流子濃度低于一般金屬3個量級的情況下，有將近4.4K的超導(dǎo)電性。早期的研究表明CsBi4Te6中載流子輸運的各向異性和材料本身的低熱導(dǎo)

4、率是其低溫?zé)犭娦阅軆?yōu)異的關(guān)鍵，但在帶隙大小的問題上，理論和實驗仍存在一些爭議。我們的實驗發(fā)現(xiàn)CsBi4Te6的能帶色散呈現(xiàn)高度的各向異性，在面內(nèi)的兩個方向上，載流子的有效質(zhì)量只有理論預(yù)期的約60％;利用CsBi4Te6的解理面在超高真空腔里的陳化效應(yīng)帶來的電子型摻雜，我們觀察到了CsBi4Te6的導(dǎo)帶，得出其最小的間接帶隙約在0.05eV至0.1eV之間。我們的結(jié)果為進一步理解CsBi4Te6的超導(dǎo)等性質(zhì)提供了較為完整的電子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)支持

5、。
　　2.利用分子束外延在黑磷襯底上成功地生長了兩個原子層厚的Bi(110)薄膜;通過高精度掃描隧道顯微鏡的測量，證實了薄膜的結(jié)構(gòu)為類似于單層黑磷的構(gòu)型。理論研究表明，兩個原子層厚的Bi(110)薄膜中上層原子的翹曲對其拓?fù)湫再|(zhì)存在很大影響，并且可以通過引入電荷摻雜或襯底的影響來實現(xiàn)對其拓?fù)湫再|(zhì)的調(diào)控。我們利用同步輻射角分辨光電子能譜測得的兩個原子層厚Bi(110)薄膜的能帶結(jié)構(gòu)與第一性原理計算得到的結(jié)果符合較好。實驗發(fā)現(xiàn)由于黑

6、磷的帶隙相對較大(約0.3eV)，費米能級附近主要是Bi薄膜的能帶;其中，沿Γ-X1方向的能帶同計算結(jié)果符合得很好，而沿Γ-X2方向的能帶雖然在走勢上與計算結(jié)果相符，但在動量尺度上卻存在較大的差別，我們推測這種差別可能來自于襯底對Bi原子面內(nèi)p軌道施加的應(yīng)力;我們的結(jié)果顯示兩個原子層厚的Bi(110)薄膜在黑磷襯底上很接近拓?fù)湎啵驗樯蠈覤i原子的翹曲導(dǎo)致的能帶劈裂也大于理論預(yù)期，由此導(dǎo)致的Bi薄膜費米能級附近電子的自旋極化可能會對自旋