67 / 2021-10-30 11:44:31

拓扑绝缘体Bi2Se3-PbSe范德瓦尔斯异质结的原位构造

分子束外延,半导体,异质结,范德华外延

拓扑绝缘体硒化铋（Bi₂Se₃）是目前凝聚态物理的研究前沿之一，其表面Dirac金属态赋予Bi₂Se₃极强的电荷输运能力。硒化铅(PbSe)是一种传统的Ⅳ-Ⅵ族窄禁带半导体，在近红外至中红外波段具有十分显著的光电响应特性。因此，Bi₂Se₃-PbSe异质结就有可能将两者的优势结合起来，为制备高性能红外探测器件提供基础材料支撑。

Bi₂Se₃是一种层状材料，其晶体结构由沿c轴堆叠的若干五重层（Quintuple Layer, QL）组成。在每个QL内，铋原子与硒原子通过共价键连接，而每个QL之间则通过范德瓦尔斯作用相互连接，这使其表面无悬挂键存在。与传统的异质外延生长过程不同，在生长Bi₂Se₃-PbSe异质结时，由于Bi₂Se₃与PbSe之间并非通过共价键连接，而是通过范德瓦尔斯作用连接在一起。在这样的外延生长方式中，即使两者之间存在较大的晶格失配与热膨胀失配，也有可能获得高质量的外延薄膜，通常将这样的外延生长方式称作范德瓦尔斯外延。

本研究使用分子束外延（Molecular Beam Epitaxy, MBE）技术在Bi₂Se₃表面原位生长PbSe薄膜，实现Bi₂Se₃-PbSe范德瓦尔斯异质结的原位构造。MBE腔体背底真空度优于6×10^-8Pa。外延顺序如下：首先在c面蓝宝石衬底表面沉积一层Bi₂Se₃薄膜，随后在该Bi₂Se₃薄膜表面进行PbSe薄膜的原位生长。高分辨率透射电子显微镜（High-resolution Transmittance Electronic Microscope, HRTEM）观察结果显示：所制备Bi₂Se₃-PbSe异质结具有原子级平滑的异质结界面。同时结合其它材料检测手段证实该异质结界面两侧的膜层均具有较好的结晶质量。并且所制备的Bi₂Se₃-PbSe异质结器件具有较为优异的光电响应性能。本研究既探索了Bi₂Se₃这种新兴的拓扑绝缘体材料在光电探测领域的潜在应用前景，同时也为PbSe这样的传统窄禁带材料的应用提供了新的思路。