[发明专利]一种Ce掺杂拓扑绝缘体碲化铋单晶薄膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种Ce掺杂拓扑绝缘体碲化铋单晶薄膜的制备方法，属于单晶薄膜制备方法技术领域，将Ce源、Bi源和Te源作为蒸发源，对衬底除气后，将衬底传至分子束外延设备的分子束外延腔，然后调节衬底温度，待其稳定后，使蒸发源和衬底在预设的源温度下生长。MBE技术可以生长出高掺杂浓度的薄膜，已知工作中，有报道了最高x＝0.06浓度Ce元素掺杂的单晶块材工作，通过本申请的方法，我们可以生长出掺杂浓度提升将近一倍的单晶薄膜。

技术领域

本发明属于单晶薄膜制备方法技术领域，具体涉及一种Ce掺杂拓扑绝缘体碲化铋单晶薄膜的制备方法。

背景技术

拓扑绝缘体由于其独特的物理性质在近年来受到了极大的关注。最宏观的表现即为体内是绝缘的，但在其表面或边界总是导电。这类新的量子材料的表面态具有自旋螺旋无质量的狄拉克(Dirac)结构，并且受时间反演对称性的保护。特征表现为非磁性杂质的无背散射以及狄拉克费米子的弱反局域化。若在拓扑绝缘体中引入磁性，可以打破时间反演对称性的保护从而产生各种奇特的物理效应，如半量子化的霍尔电导，镜像磁单极子，中性的Majorana费米子，巨磁-光效应和量子反常霍尔效应等等。对其进行磁性杂质掺杂是在拓扑绝缘体中引入磁性的一种有效手段。

镧系元素具有多个不成对的4f电子的大磁矩，并且不提供任何电荷载流子，可以作为很好的磁性杂质掺杂来检验磁性对拓扑绝缘体的拓扑表面态的影响。在镧系元素中，Ce只有一个4f电子，可以简化磁掺杂对拓扑态的影响。目前有国外研究者使用助溶剂的生长方式生长了不同浓度Ce掺杂的Bi₂Te₃单晶并对其进行了X射线衍射(XRD)以及磁输运的表征，但是镧系元素在空气中极易氧化，使用助溶剂法等生长方式具有块体浓度不稳定、杂质分布不均匀、氧化率大、解理困难、生长周期长等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Ce掺杂拓扑绝缘体碲化铋单晶薄膜的制备方法，解决现有技术中Ce类镧系材料在空气中极易氧化，使用传统助熔剂法等生长的单晶块体具有浓度不稳定、杂质分布不均匀、氧化率大、解理困难、生长周期长(10小时-2周)等技术问题。

本发明公开了一种Ce掺杂拓扑绝缘体碲化铋单晶薄膜的制备方法，对衬底除气后，将衬底传至分子束外延设备的分子束外延腔，然后调节衬底温度，待其稳定后，加入Ce源、Bi源和Te源作为蒸发源，在预设的源温度下生长。

进一步的，通过控制Ce源生长时间，控制生长单晶膜的厚度。

进一步的，计算得到不同掺杂浓度的Ce蒸发源束流与Bi蒸发源束流之比，以及生长速率公式，生长(Ce_xBi_1-x)₂Te₃的速率为F＝14.1383744·f_Bi+14.4246247·f_Ce，单位为nm/min。

(Ce_xBi_1-x)₂Te₃的生长速率计算过程如下：

因Bi₂Te₃为六方晶格，层状结构，沿(0001)面生长。对面积时间进行归一化，则在单位时间t内，单位面积S上生长的体积V为：V＝f·S·t。f为使用晶振测得的束流，单位为

此体积的质量为m＝ρ·V＝ρ·f·S·t。密度ρ的单位为g/cm³。

则在该体积内的总原子数为N＝m·N_A/M＝ρ·f·S·t·N_A/M。M为相对原子质量，单位g/mol。N_A为阿伏伽德罗常数，单位mol^-1。

晶格每层拥有的原子数为S为归一化后的每层单位面积，a为晶格常数，单位为nm。为每层中每一个原子所占的面积，因其六方结构，每个原子所占面积为菱形，因此为