铋薄膜的结构与输送性质研究

【摘要】伴随着尺度的减小,薄膜材料表现出越来越多体材料中没有体现的物理性质,这些性质和伴随而生的现象的原因及其应用吸引了越来越广泛的关注。半个世纪以来,半金属(semimetal)铋(Bi)由于具有极低的载流子浓度、极小的载流子有效质量、相对较大的费米波长,一直被作为研究量子输运效应(quantumtransport)、有限尺寸效应(finitesizeeffect)的重要材料。对其薄膜的特殊能带结构、奇特的输运性质,一直不断地有新的认识。但是至今,围绕铋薄膜的诸多奇异特性,仍有很多疑问和争辩,它们的来源仍不完全为人们所知。本论文的主要工作是对单晶铋薄膜的生长与输运性质进行了研究与分析。此外,还设计了一套超高真空原位输运系统。主要内容如下：1.使用分子束外延的方法在氟化钡(111)表面生长了单晶铋(Bi)的薄膜。通过原位的RHEED和北京同步辐射装置的掠入射X射线衍射(GrazingangleXRD),观察到随着薄膜厚度的增长,它的结构从多晶准立方相过渡到了单晶六角相,并且我们确定了铋薄膜在氟化钡(111)衬底上的不同生长阶段。此外,在电导测量中也同样观察到了这种转变,与RHEED和XRD的结果一致。2.通过研究不同厚度、不同温度下铋的输运性质,证明了即使有金属性的表面态存在,在铋薄膜的体内仍然存在半导体相,为长久以来的争论给出了确定的回答。此外,我们还定出了铋从半金属转变为半导体的转变点。3.在了解了铋薄膜的输运性质是由金属表面态和薄膜内部的半导体共同参与所组成的之后。建立模型,通过定量的结果证实了铋薄膜的电导和霍尔效应中随厚度、温度的特殊变化关系是源于表面态和体内此消彼长的竞争。对这些被广泛观察却没有被很好理解的现象作出了合理的解释。4.我们通过研究铋薄膜在低温强磁场下的Shubnikov-deHaas振荡,证实在铋薄膜中并不能观察到理论估计的周期,表面态的Shubnikov-deHaas振荡并不能用来解释Quantumlimit之外的峰值。5.设计了超高真空原位探针输运、霍尔测量系统。并且在腔外通过各向异性磁电阻的测量对探针系统进行了测试,验证了系统的可行性。
【作者】肖顺豪；
【导师】金晓峰；
【作者基本信息】复旦大学，凝聚态物理，2011，博士
【关键词】铋；薄膜；电导；霍尔效应；金属半导体转变；

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