衬底温度对Bi2Se3拓扑绝缘体薄膜生长影响的研究

王 军,王安健,杜洪洋,徐 伟,宋玲玲,仇怀利,李中军

(合肥工业大学 电子科学与应用物理学院,安徽 合肥 230009)

衬底温度对Bi2Se3拓扑绝缘体薄膜生长影响的研究

王 军,王安健,杜洪洋,徐 伟,宋玲玲,仇怀利,李中军

(合肥工业大学 电子科学与应用物理学院,安徽 合肥 230009)

文章利用分子束外延方法在蓝宝石衬底上制备Bi2Se3拓扑绝缘体薄膜,研究衬底温度对薄膜生长质量的影响。首先对370、380、390、400 ℃衬底温度下生长的Bi2Se3薄膜样品,利用反射高能电子衍射仪(reflection high-energy electron diffraction,RHEED)、原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)进行表面形貌的表征;利用X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)和X射线能谱仪(energy dispersive X-ray spectroscopy,EDS)对样品的晶相和化学组分进行分析筛样。结果表明,衬底温度为390 ℃时制备的Bi2Se3薄膜表面平整、成分接近理想配比、结晶质量较好。最后利用综合物性测量系统测量了最佳衬底温度制备的样品的电学性质,表明样品为n型拓扑绝缘体薄膜。

Bi2Se3;拓扑绝缘体;分子束外延;X射线衍射仪(XRD);反局域化效应

拓扑绝缘体内部是有带隙的绝缘态,表面呈金属态,这种金属态由体系的拓扑电子结构决定,且受时间反演对称性保护,其自旋和动量是锁定的,不受材料表面结构和非磁性杂质的影响。拓扑绝缘体薄膜是一种新型准二维晶体,它独特的二维层状结构和受拓扑保护的表面态使其表现出许多新奇的物理和化学性质,不仅可以借助拓扑绝缘体薄膜来探索一些新奇的物理现象,如量子化反常霍尔效应、表面临近相互作用等,而且在新型纳米电子器件、自旋电子器件、光子器件、自容错的拓扑量子计算和表面催化以及清洁能源等方面有巨大的应用前景[1]。因此,近年来,二维拓扑绝缘体薄膜是物理学、材料科学、电子学和化学交叉研究的热门体系。

制备高质量的拓扑绝缘体薄膜是实现应用的前提。基于Ⅴ/Ⅵ族的拓扑绝缘体薄膜,由于依靠弱的范德瓦尔斯力结合为层状结构,易于在实验上获得高质量的二维薄膜。由于Bi2Se3具有较大的体带隙,被认为最有希望实现制备室温下的低功耗自旋电子器件,吸引大量实验研究的关注[2]。拓扑绝缘体及其薄膜的制备方法主要有脉冲激光沉积(pulsed laser deposition,PLD)法、化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)法、金属有机化合物化学气相沉淀(metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD)法和分子束外延(molecular beam exitaxy,MBE)法等。其中,在MBE法中,影响薄膜质量的因素很多,如元素流量比、衬底温度等[1-2]。本文用MBE法制备Bi2Se3拓扑绝缘体薄膜,结合常规的表征和测试方法,讨论了衬底温度对薄膜生长质量的影响。

1 薄膜的实验制备

本文所用实验设备及其型号见表1所列。

表1 实验设备及其型号

首先将切割好的蓝宝石(Al2O3)衬底在超声波清洗器中用丙酮和酒精交叉清洗4次,每次约10 min。然后将蓝宝石衬底传入真空室进行烘烤,烘烤温度为1 000 ℃,时间为60 min,以除去衬底吸附的杂质和气体。烘烤后真空室的本底真空值约为6.65×10-8Pa。随后,将衬底温度降到370 ℃,关闭样品台的挡板,对束源炉升温,加热Se和Bi靶材料,使其束流分别达到约1.0×10-4Pa和1.0×10-5Pa,获得Se和Bi的束流流量比[3]约10∶1。等待束流稳定后,打开样品台挡板,开始生长样品,生长时间为50 min,生长速度约为4 nm/min。在衬底温度为370 ℃下制备Bi2Se3薄膜样品,标记为样品a。保持其他条件不变,衬底温度分别为380、390、400 ℃条件下制备Bi2Se3薄膜样品,分别标记为样品b、样品c和样品d。

2 结果与讨论

2.1 表面形貌和平整度分析

在Bi2Se3薄膜生长完成后,接着利用反射高能电子衍射仪(RHEED)对样品薄膜表面进行原位测量。根据RHEED工作原理[4],衍射图的条线越清晰,说明样品的表面平整度越好,反映样品的质量高。不同衬底温度样品的RHEED衍射图如图1所示。由图1可见,当衬底温度为370 ℃时,样品a的RHEED衍射图呈点状,说明表面粗糙不平整;样品b的RHEED衍射图呈点线状,说明在380 ℃的衬底温度下制备的Bi2Se3薄膜样品的表面比370 ℃的样品稍平整;样品c的RHEED衍射图呈尖锐的线状,说明样品表面平整,薄膜表面质量好;当衬底温度在400 ℃时,样品d表面RHEED衍射图呈模糊的线状,说明样品d表面较样品c变差。综合RHEED测试结果可见,蓝宝石衬底温度为390 ℃时生长的Bi2Se3薄膜表面较平整,质量较好。

图1 不同衬底温度制备的Bi2Se3样品的RHEED衍射图

利用AFM对不同衬底温度的样品表面形貌进行表征,如图2所示。不同衬底温度下样品的粗糙度数据见表2所列。

由表2可以看出,无论是平均粗糙度还是均方根粗糙度,样品c的都是最小的。这与图2的结果是一致的。综合考虑图1、图2和表2可见,适当增加衬底温度可以提高样品表面平整度,且衬底温度为390 ℃生长的样品c表面平整、形貌最好。

图2 不同衬底温度制备的Bi2Se3样品的AFM图

表2 不同衬底温度制备的Bi2Se3样品的表面粗糙度

2.2 晶体结构分析

4个衬底温度下样品的XRD如图3所示。从图3可以看出,制备出的样品a、b、c、d均为Bi2Se3物相,每个样品都只能观察到(00L)晶面的衍射峰,表明4个样品均沿C轴生长。所有样品的X射线衍射图谱在2θ=18.5°附近均出现最强的衍射峰,对应为Bi2Se3单晶的(006)晶面。本文结果与文献[5]是一致的。

2θ/(°)图3 不同衬底温度制备的Bi2Se3薄膜的XRD图

为了获得4个样品的结晶度情况,现在以最强的(006)衍射峰为例,进行进一步的数据分析。根据4个样品的XRD图谱的(006)峰,利用Scherrer公式[6]D=κλ/(βcosθ)计算样品晶粒尺寸。其中,D为晶粒尺寸;κ为Scherrer常数,取0.9;λ为X射线波长,其值为0.154 06 nm;β为(006)衍射峰的半高宽;θ为衍射角。计算结果见表3所列。

从表3可以看出,衬底温度370 ℃时晶粒尺寸较小,衬底温度适当增加到390 ℃晶粒尺寸最大达到71.24 nm,衬底温度继续增加到400 ℃时,晶粒尺寸减小到64.40 nm。可见适当增加衬底温度可以提高Bi2Se3样品的结晶度。当衬底温度为390 ℃时,Bi2Se3薄膜的结晶质量最好。

表3 不同样品的(006)衍射峰的半高全宽和晶粒尺寸

2.3 化学组分分析

本文利用EDS能谱仪对Bi2Se3样品a、b、c、d的化学组分进行分析,其中Bi和Se来自薄膜样品,Al和O来自蓝宝石衬底。Bi2Se3薄膜样品a、b、c、d的Se和Bi成分的摩尔分数和摩尔比见表4所列。

从表4可以看出,Se与Bi的摩尔比随着衬底温度的增加先增大后减小。可见,衬底温度对薄膜样品的元素化学配比有明显的调制作用。其中,衬底温度为390 ℃的样品c的Se与Bi摩尔比约为1.46∶1,接近理想配比3∶2。

表4 不同衬底温度制备的Bi2Se3薄膜样品的化学组分

2.4 电学性质测试

从上述对不同衬底温度制备的Bi2Se3薄膜样品的表面形貌、晶体结构、化学组分分析可以看出,衬底温度为390 ℃样品的质量最好。

因此,本文利用PPMS测量该样品的电学性质。样品R-T曲线、磁阻曲线和霍尔电阻曲线如图4所示。

图4 样品c的R-T曲线、磁阻曲线和霍尔电阻曲线

由图4a可知，在25～300 K范围内,薄膜样品电阻随着温度降低而降低,表现出金属导电行为;在2～25 K范围内,薄膜电阻随着温度的降低电阻几乎不发生变化,表明静态无序是体系主要的散射机制[7-8]。

从图4b可以看出,在不同的测量温度下,由于弱的反局域化效应,电阻都随着磁场的增大而增加,即表现为正磁阻现象。在高磁场强度区磁阻变化不明显;在0～0.5 T范围,测量温度越低,电阻增加得越剧烈,呈现出弱局域化现象[9]。本文的结果与文献[10]结果一致。

从图4c可以看出,不同测量温度下,霍尔电阻的斜率均为负值,表明衬底温度390 ℃制备的Bi2Se3样品为n型拓扑绝缘体薄膜。这可能是由于Bi2Se3薄膜样品在生长过程中Se原子极易从表面脱离而形成Se空位,使样品多余出电子而形成n导电特性。这与文献[11-12]结果一致的。

3 结 论

本文用分子束外延方法制备Bi2Se3薄膜,讨论了衬底温度对薄膜生长的影响。通过对不同温度下薄膜样品RHEED、AFM、XRD和EDS测量结果分析发现,衬底温度为390 ℃生长的样品质量最好。最后,利用综合物性测量系统对该样品进行电学性质测试,并与之前的结果比较,发现薄膜样品具有明显的拓扑特性。

[1] 李辉,彭海琳,刘忠范.拓扑绝缘体二维结构与器件[J].物理化学学报,2012，28(10):2423-2435.

[2] 吕莉，张敏，杨立芹，等.拓扑绝缘体 Bi2Se3 单晶体的研究进展[J].材料导报，2013，27(11):7-12.

[3] 张翼，何珂，马旭村，等.拓扑绝缘体薄膜和有限尺寸效应[J].物理学报,2011，40(7):435-439.

[4] 郎佳红.GaN ECR-PEMOCVD生长表面RHEED图像研究[D].大连:大连理工大学,2004.

[5] WEI Z T，LV L，ZHANG M，et al.Tuning of electrical and magnetic transport properties in Bi2Se3topological insulator crystals doped with Mn [J].Journal of Superconductivity and Novel Magnetism，2015，28(7):2083-2088.

[6] 余焜.材料结构分析基础 [M].北京:科学出版社,2010:248-252.

[7] WANG Y，DEORANI P,BANERJEE R,et al.Topological surface states originated spin-orbit torques in Bi2Se3[J].Physical Review Letters，2015，114(25):257202

[8] BANSAL N,KIM Y S,BRAHLEK M,et al.Thickness-independent transport channels in topological insulator Bi2Se3thin films[J].Physical Review Letters，2012，109(11):651-657.

[9] LANG M，HE L，KOU X F，et al.Competing weak localization and weak antilocalization in ultrathin topological insulators [J].Nano Letters，2013，13(1):48-53.

[10] YANG Q I，DOLEV M.Emerging weak localization effects on a topological insulator-insulating ferromagnet (Bi2Se3-EuS) interface[J].Physical Review B，2013，88:081407.

[11] ZHOU B，LIU Z K，ANALYTIS J G，et al.Controlling the carriers of topological insulators by bulk and surface doping[J].Semiconductor Science and Technology，2012，27(12):124002.

[12] MATETSKIY A V，KIBIREV I A，HIRAHARA T，et al.Direct observation of a gap opening in topological interface states of MnSe/Bi2Se3heterostructure[J].Applied Physics Letters，2015，107(9):091604.

InfluenceofsubstratetemperatureonthegrowthoftopologicalinsulatorBi2Se3thinfilm

WANG Jun,WANG Anjian,DU Hongyang,XU Wei,SONG Lingling,QIU Huaili，LI Zhongjun

(School of Electronic Science and Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The influences of substrate temperatures on the growth of Bi2Se3thin films were studied. The Bi2Se3thin films were prepared on sapphire substrate with the different temperatures of 370 ℃, 380 ℃, 390 ℃ and 400 ℃ by molecular beam epitaxy(MBE) method. The samples were characterized by using reflection high-energy electron diffraction(RHEED) and atomic force microscope(AFM). And the crystal phase and chemical compositions of the samples were analyzed by using X-ray diffraction(XRD) and energy dispersive X-ray spectroscopy(EDS). The results indicate that the sample prepared at the substrate temperature of 390 ℃ has better surface morphology, crystal structure and nearly ideal chemical composition. The electrical properties measured by Physical Property Measurement System(PPMS) further show that this sample is n-type topological insulator thin film.

Bi2Se3; topological insulator; molecular beam epitaxy(MBE); X-ray diffraction(XRD); anti-localization effect

2016-03-21；

2016-03-31

国家自然科学基金资助项目(21503061);中央高校基本科研业务费专项资助项目(JZ2015-HGXJ0184)和国家大学生创新性实验计划资助项目(201510359035)

王 军(1990-),男,安徽阜阳人,合肥工业大学硕士生;

李中军(1976-),男,安徽霍邱人,博士,合肥工业大学副教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.11.028

O484.1

A

1003-5060(2017)11-1581-04

(责任编辑 闫杏丽)