[发明专利]一种铋基拓扑绝缘体材料及其制备方法

说明书

本发明属于绝缘体材料技术领域，具体涉及一种铋基拓扑绝缘体材料及其制备方法，S1：将二氧化硅粉末、氢氧化钠粉末、氧化硼粉末、铋源化合物粉末和硫族元素单质粉末按照摩尔比为4:4:1:(0.05‑0.5)：(0.05‑0.5)混合均匀，得到混合物A；S2：将混合物A在900‑1100℃下进行高温熔融，之后冷却至室温，得到铋基拓扑绝缘体材料；S3：将S2得到的铋基拓扑绝缘体材料与异丙醇混合并进行研磨，得到铋基拓扑绝缘体材料粉末，然后将铋基拓扑绝缘体材料粉末分散于异丙醇中并进行超声分散，得到铋基拓扑绝缘体二维材料。该方法通过高温玻璃熔融法以及利用低成本原料让晶体在玻璃熔融体中自然生长，实现高质量层状铋基拓扑绝缘体二元及多元体系材料的制备。

技术领域

本发明属于绝缘体材料技术领域，具体涉及一种铋基拓扑绝缘体材料及其制备方法。

背景技术

Bi₂Te₃和Bi₂Se₃是一种功能非常强大的材料体系。早在上个世纪50年代，研究人员就发现Bi₂Te₃系合金化合物具有较高的电导率和低的热导率，一直是热电领域的研究热点；60年代，该体系又被报道可用于相变存储器对数据进行读写。基于这两方面的应用，针对Bi₂Te₃和Bi₂Se₃的制备研究也已经进行了几十年，包括固体熔融、磁控溅射、溶剂热等方法。但值得注意的是，在以往的应用中，特别是作为热电材料，材料的性能对自身化合物的质量、结晶性并没有特别高的要求，也不要求是单晶材料；甚至为了减少声子的散射，常常需要把薄膜制备成多晶结构。所以即使对Bi₂Te₃和Bi₂Se₃的研究已久，可是对高质量单晶材料的制备方面的工作则并没有十分充足和完善。

当21世纪初，Bi₂Te₃和Bi₂Se₃被预测、证实是一种拓扑绝缘体材料，并且具有简单的能带结构，这种独特拓扑性质使其在下一代自旋器件、光学器件、光敏器件及低能耗电子器件中具有广泛的应用前景，并极有可能为特殊物理现象的探寻提供材料平台。研究人员同时发现，实际样品制备中，难以实现体相的真正绝缘。即使完美的Bi₂Te₃和Bi₂Se₃分别具有170meV和300meV的能带，理论上体绝缘，但是由于晶体质量、结构缺陷的原因，制备得到的拓扑绝缘体材料总是“非绝缘”的。体相导电掩盖了表面态的性质，影响了拓扑表面态的研究和应用。于是，研究人员不得不将注意力回归到最基础的材料生长研究上，力求制备出载流子浓度低的Bi₂Te₃和Bi₂Se₃材料体系。

目前制备Bi₂Se₃和Bi₂Te₃主要有溶剂热法、化学气相沉积法(CVD)、分子束外延法(MBE)等，然而这些方法存在以下不足：

这些制备方法设备昂贵，原料成本昂贵，工艺苛刻，操作复杂；并且传产量少，质量不佳，结晶度不高；同时还不可避免地会引入杂质，掩盖了低维Bi₂Se₃/Bi₂Te₃的拓扑绝缘特性。

发明内容

基于目前铋基拓扑绝缘体单晶制备的挑战，本发明提供一种铋基拓扑绝缘体材料及其制备方法，该方法通过高温玻璃熔融法以及利用低成本原料让晶体在玻璃熔融体中自然生长，实现高质量层状铋基拓扑绝缘体二元及多元体系材料的制备。

本发明的目的采用以下技术方案实现：

一种铋基拓扑绝缘体材料的制备方法，包括以下步骤：