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(huì)的進(jìn)步相輔相成。近年來(lái)，隨著計(jì)算能力的不斷增強(qiáng)，人們對(duì)拓?fù)洳牧系睦碚撗芯看笥幸I(lǐng)實(shí)驗(yàn)的勢(shì)頭，眾多過(guò)去為人們探索過(guò)的材料被證實(shí)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(duì)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(duì)應(yīng)，實(shí)驗(yàn)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(shí)際應(yīng)用之間的橋梁，實(shí)驗(yàn)材料的研究如今除了需要人們從各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出

2、發(fā)，還需要人們時(shí)時(shí)從繁多的理論中辨清本質(zhì)。從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)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(duì)材料的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)而精確的測(cè)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(duì)一些物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)，甚至幫助預(yù)言新的實(shí)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(duì)熱電材料CsBi4Te6單晶和兩個(gè)原子層厚

3、的Bi(110)薄膜開(kāi)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(yùn)性質(zhì)表現(xiàn)出準(zhǔn)一維的特征，225K時(shí)的ZT值達(dá)到0.8，此外，在載流子濃度低于一般金屬3個(gè)量級(jí)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(yùn)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(wèn)題上，理論和實(shí)驗(yàn)仍存在一些爭(zhēng)議。我們的實(shí)驗(yàn)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(gè)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(lái)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(jìn)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(zhǎng)了兩個(gè)原子層厚的Bi(110)薄膜;通過(guò)高精度掃描隧道顯微鏡的測(cè)量，證實(shí)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(gè)原子層厚的Bi(110)薄膜中上層原子的翹曲對(duì)其拓?fù)湫再|(zhì)存在很大影響，并且可以通過(guò)引入電荷摻雜或襯底的影響來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)得的兩個(gè)原子層厚Bi(110)薄膜的能帶結(jié)構(gòu)與第一性原理計(jì)算得到的結(jié)果符合較好。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)由于黑

6、磷的帶隙相對(duì)較大(約0.3eV)，費(fèi)米能級(jí)附近主要是Bi薄膜的能帶;其中，沿Γ-X1方向的能帶同計(jì)算結(jié)果符合得很好，而沿Γ-X2方向的能帶雖然在走勢(shì)上與計(jì)算結(jié)果相符，但在動(dòng)量尺度上卻存在較大的差別，我們推測(cè)這種差別可能來(lái)自于襯底對(duì)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(gè)原子層厚的Bi(110)薄膜在黑磷襯底上很接近拓?fù)湎?，因?yàn)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(fèi)米能級(jí)附近電子的自旋極化可能會(huì)對(duì)自旋