拓扑绝缘体材料纳米结构的制备及其光电子器件的研究

第一章绪论 (1)

1.1 引言 (1)

1.2 拓扑绝缘体材料概述 (2)

1.2.1拓扑绝缘体材料的制备与表征 (2)

1.2.2拓扑绝缘体材料的性能及应用研究 (9)

1.3 光电探测器概述 (16)

1.3.1 光电探测器的原理及分类 (16)

1.3.2光电探测器的主要性能参数 (17)

1.4 本论文的研究内容与意义 (18)

1.5参考文献 (20)

第二章基于拓扑绝缘体Bi2Se3纳米线与Si异质结的高效宽光谱光电探测器 (25)

2.1引言 (25)

2.2 实验部分 (26)

2.2.1硒化铋纳米线的合成与表征 (26)

2.2.2 硒化铋纳米线/硅异质结的合成与测试 (28)

2.3 实验结果与讨论 (29)

2.3.1 硒化铋纳米线的表征 (29)

2.3.2 硒化铋纳米线/硅异质结的结构表征 (33)

2.3.3硒化铋纳米线/硅异质结的光电探测器测试结果分析 (34)

2.3.4 硒化铋纳米线/硅异质结的机理分析 (41)

2.4 本章小结 (43)

2.5 参考文献 (44)

第三章基于拓扑晶体绝缘体SnTe与Si异质结的高效宽光谱光电探测器 (49)

3.1引言 (49)

3.2 实验部分 (50)

3.2.1碲化锡的合成与表征 (50)

3.2.2 碲化锡薄膜/硅异质结的合成与测试 (51)

3.3 实验结果与讨论 (52)

3.3.1 碲化锡薄膜的表征 (52)

3.3.2 碲化锡薄膜/硅异质结的结构表征 (55)

3.3.3 碲化锡薄膜/硅异质结的光电器件结果分析 (56)

3.4 本章小结 (67)

3.5 参考文献 (68)

第四章总结与展望 (72)

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文 (74)

致谢 (75)

拓扑绝缘体材料纳米结构的制备及其光电子器件的研究第一章绪论

第一章绪论

1.1 引言

近几十年来，随着社会进步和全球经济的高速发展，纳米科学技术得到飞速发展，在物理、化学、生物等领域具有非常大的应用前景而且已经取得了巨大的进展，因此引起了国际上的广泛关注[1]。纳米材料通常是指在三维空间中，至少在某一维度上的尺寸小于100 nm的材料，并且与其对应宏观材料具有不同的性质。纳米材料的特殊结构决定了其具有一系列常规材料所没有的特殊性能，如小尺寸效应[2]、量子尺寸效应[3]、表面效应[4]和宏观量子隧道效应[5]等, 这些效应导致其具有独特的光学、电学、机械、磁学等特性，因此在光伏器件[6]、光电探测器件[7]、传感器[8]等领域表现出了广阔的应用前景。由于更加轻便、更小尺寸以及功能集成度更高的科技产品越来越受欢迎，人们对可弯曲的、柔性的可穿戴产品的需求也不断增加[9]。一维和二维纳米材料由于在机械性能和光电性能方面的优异表现[10]，因而吸引了众多科研工作者对其纳米材料结构和器件性能进行研究[11-12]，相信在不远的将来，可弯曲的、柔性的可穿戴产品将成为可能。

拓扑绝缘体状态的发现最早可以追溯到20多年前发现的量子霍尔效应[13-16]。对量子霍尔效应的研究分别于1985年和1998年两度获得Nobel物理学奖，开创了凝聚态物理学的一个新纪元。但由于这种效应需要满足强磁场和低温这两个条件，不利于推广应用。直到2005年，人们才发现不需要强磁场和低温条件，仅仅依靠材料具有的自旋轨道耦合效应，就可以实现类似于量子霍尔效应中的电子态，即量子自旋霍尔效应态或拓扑绝缘体态[17]。这一发现立刻引起了全球科学家们的广泛关注。越来越多的科学家开始对拓扑绝缘体材料进行研究。目前对拓扑绝缘体的研究主要集中在拓扑绝缘体材料的理论预测、材料制备、物理和化学性质机理的研究等方面。在各种被理论证实的拓扑绝缘体材料之中，已经成功制备出一维及二维纳米材料，并在光电器件方面已经成功取得了一些突破性的工作[18-20]。然而仍存在一系列亟需解决的问题，比如如何用简单廉价的方法制备出高晶体质量