硒化铋纳米材料的可控制备：螺旋、层状及枝状生长模式

【摘要】拓扑绝缘体是新近发现的一种新的物质量子态。它的体态是有能隙的绝缘态,而表面是强的自旋-轨道耦合所诱导的非简并的金属态。这种表面态受时间反演不变性的保护,不会被杂质所散射,因此电子传输是无能耗的。基于表面态的这种奇异的性质,拓扑绝缘体在自旋电子学和量子计算机等方面有着很大的应用潜力。硒化铋是一种之前被用于热电应用的半导体材料,由于其简单的能带结构,远大于室温能量涨落的体带隙,近年来被认为是最有前景的拓扑绝缘体材料。与块体材料相比,低维的拓扑绝缘体纳米材料,能够有效地降低体载流子浓度,凸显出表面电子态的贡献。尽管通过很多物理方法已经合成了硒化铋的纳米片以及纳米带。但是目前在化学方法上可控制备大规模的低维的硒化铋纳米材料方面还未有深入的开展。此外,在拓扑绝缘体中引入一个螺旋位错的线缺陷,还可能会产生一对拓扑保护的一维螺旋态,从而创造一条完美的导电渠道,但从化学合成上也还尚未实现螺旋位错驱动生长的拓扑绝缘体。本文基于晶体生长理论,侧重开展了可控合成不同形貌和结构的硒化铋纳米材料并对其生长机理等进行了初步的调查。本论文共有四章,各章节内容简述如下：在第一章中,我们简要介绍了硒化铋为代表的二维晶体的结构以及拓扑绝缘体的基本性质,重点介绍了硒化铋等材料的制备合成以及拓扑绝缘体的实验研究及应用进展。最后简要介绍了作为硒化铋纳米材料制备依据的晶体生长理论。在第二章中,我们运用多元醇的化学合成方法在低的过饱和度下制备了螺旋型硒化铋纳米片。两套中心对称的螺旋条纹证实了硒化铋纳米片中螺旋位错的存在。纳米片表面出现的人字形的应力条纹进一步说明了产物具有双锥体结构。通过降低溶液的过饱和度,我们合成了具有更小斜率的纳米片,观察到了螺旋臂形的应力条纹以及位错所引起的空心孔洞结构。这些证据表明了螺旋型硒化铋纳米片是由螺旋位错所驱动生长的。此外,我们通过提高前驱物浓度、增加还原剂AA的量,提高反应溶液PH值三种方式来提高溶液的过饱和度,合成了由螺旋位错以及层状生长模式共同主导的初步发展的螺旋型纳米片并从中推断出螺旋位错驱动的生长过程。上述实验结果有助于理解以及控制硒化铋的螺旋位错驱动的双向生长过程、探索新结构的输运性质,并且拓展到其他的二维层状材料,实现新的功能化器件的应用。在第三章中,我们主要介绍了硒化铋纳米片与纳米花的合成。首先,我们研究了合成硒化铋纳米片的一般策略,并对纳米片层状生长模式的生长过程进行了调查。其次,我们详细阐述了籽晶生长法合成硒化铋纳米片。通过控制前驱物的注入速率,我们能够使层状生长模式发生在硒化铋纳米片的横向以及纵向方向。当注入速率较快时,纳米片的生长主要在横向尺寸方向。当注入速率在很低的情况下,纳米片能够在横向尺寸与厚度方向上共同生长。另外,我们运用了籽晶生长法合成了硒化铋的异质结构。我们对这两种层状生长模式的拉曼光谱进行了表征,表明了其厚度相关的拉曼信号特性。此外,我们将所合成的硒化铋纳米片组装成薄膜用于构建近红外透明柔性电极。最后,我们通过动力学的调控合成了不同相貌的硒化铋纳米花,并对其枝状生长过程进行了研究,表明了与层状生长模式所存在的差异。在第四章中,我们展望了对螺旋型硒化铋的应用前景并从异质结构、掺杂、插入以及表面改性等方面阐述了拓扑绝缘体研究中的一些挑战和发展趋势。
【作者】庄阿伟；
【导师】曾杰；王晓平；
【作者基本信息】中国科学技术大学，凝聚态物理，2014，硕士
【关键词】硒化铋；拓扑绝缘体；纳米材料；晶体生长；螺旋；层状；枝状；

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