一种具有高自旋极化电子通道的拓扑绝缘体复合薄膜及其制备制造技术

本发明专利技术公开了一种具有高自旋极化电子输运通道的拓扑绝缘体异质复合薄膜，由6H-SiC(0001)或SrTiO3基片，和在基片上面利用分子束外延技术在超高真空系统中依次生长的拓扑绝缘体6QL Bi2Se3和普通半导体3QL Sb2S3组成。通过在拓扑绝缘体Bi2Se3表面覆盖Sb2S3，使复合薄膜的电学性能相较于单纯的Bi2Se3薄膜的性能有了显著的提升；狄拉克点由低于价带顶0.1eV变成了高于价带顶0.09eV，费米速度由提升到了，自旋极化率也由0.65提高至0.91；同时，自旋极化电子输运通道宽度由1nm左右提高至3nm，并可根据需要通过增加Sb2S3覆盖层的厚度进一步拓宽；Sb2S3覆盖层还能减小表面污染，如氧化等，对自旋极化电子流输运通道的影响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于凝聚态物理领域，涉及一种用于自旋电子器件的拓扑绝缘体复合薄膜及其制备。
技术介绍
利用电子的自旋特性工作的自旋电子器件相对于依赖电荷特性工作的传统微电子器件具有运作速度高、能耗低的优点。2006年发现的拓扑绝缘体(Topologicalinsulator)(BernevigB.A.etal.,QuantumspinHalleffectandtopologicalphasetransitioninHgTequantumwells.Science2006,314:1757-1761.)是制作自旋电子器件的理想材料。这类材料具有受拓扑对称性保护的高度自旋极化的拓扑表面态，这种表面态可以作为自旋极化电子流的输运通道，因而可以被用来实现自旋电子器件的功能(PesinD.etal.,Spintronicsandpseudospintronicsingrapheneandtopologicalinsulators.Nat.Mater.2012,11:409-416.)。Bi2Se3系列拓扑绝缘体是目前研究最多的拓扑绝缘体材料。其薄膜通常利用分子束外延技术在超真空系统中通过电子束加热蒸发Bi、Se等原料在6H-SiC(0001)、SrTiO3等基片上制备。(ChenY.L.etal.Experimentalrealizationofathree-dimensionaltopologicalinsulator,Bi2Te3.Science2009,325:178-181.)然而，单一的拓扑绝缘体薄膜表面自旋极化电子通道存在以下不足：(1)目前常见的第二代拓扑绝缘体，如Bi2Se3、Bi2Te3等，虽然表面能带结构简单，但是其狄拉克点位于价带顶之下。如Bi2Se3的狄拉克点在价带顶以下0.1eV处，导致工作点不能设置在狄拉克点附近，否则体内非自旋极化导电通道也会被开启，传输电子的自旋极化率会因此而降低，从而引起电阻和热损耗。再者，在狄拉克点附近，能量色散并非理想的线性，这会降低载流子费米速度。(2)如果利用远离狄拉克点的电子态作为自旋流输运通道，则又会由于等能面的扭曲导致背向散射而影响器件性能。(AlpichshevZ.etal.,STMimagingofelectronicwavesonthesurfaceofBi2Te3:Topologicallyprotectedsurfacestatesandhexagonalwarpingeffects.Phys.Rev.Lett.2010,104:16401-16404.)(3)纯粹的拓扑绝缘体薄膜，由于其自旋流输运通道局限在最外侧1QL(quintuplelayer，五原子层)的范围内，因此表面的微量污染就会对自旋流输运通道造成显著的影响，从而使器件电学性能退化。(KongD.etal.,RapidsurfaceoxidationasasourceofsurfacedegradationfactorforBi2Se3.ACSNano2011,5:4698-4703.)(4)由于单一拓扑绝缘体表面的自旋流通道局限在很窄的表面层，其电荷传输能力也非常有限。
技术实现思路
本专利技术提出的拓扑绝缘体异质复合薄膜结构有效地解决了前面列出的单一拓扑绝缘体薄膜存在的诸多弊端，可有效提升器件的工作性能。本专利技术的原理是：本专利技术提出的拓扑绝缘体异质复合薄膜以6H-SiC(0001)或SrTiO3为基片，利用分子束外延技术在超高真空系统中依次在基片上生长6QLBi2Se3和3QL的Sb2S3而制成复合薄膜。由于Sb2S3为拓扑平庸绝缘体，Bi2Se3和Sb2S3的界面处必然存在拓扑非平庸的界面态。与此同时，Bi2Se3和Sb2S3的导带、价带之间的错位较小，对电子的限域作用弱，所以高度自旋极化的Bi2Se3拓扑态可以延伸至整个Sb2S3覆盖层，使Sb2S3成为理想的自旋极化电子流输运通道，从而这一结构的薄膜可以在自旋电子器件中被加以应用。本专利技术的技术方案是：一种具有高自旋极化电子流输运通道的拓扑绝缘体复合薄膜，所述复合薄膜由依次连接的6H-SiC(0001)基片、Bi2Se3薄膜和Sb2S3薄膜组成，Bi2Se3薄膜和Sb2S3薄膜的厚度分别为6QL和3QL。本专利技术所述的复合薄膜的制备方法，包括如下步骤：(1)在分子束外延系统的束源炉中分别装上高纯的Bi、Se、Sb、S原料，将6H-SiC(0001)基片固定于样品架上；(2)将系统抽至超高真空，并对6H-SiC基片和原料进行除气处理；(3)给6H-SiC基片通以直流电，将其加热到1300℃，使表面硅原子蒸发，从而在其表面形成石墨烯薄膜以便进行Bi2Se3的外延生长；(4)保持6H-SiC基片在220℃，先在其上沉积厚度为6QL的Bi2Se3薄膜，Bi2Se3薄膜沉积过程中Bi、Se蒸发源的温度分别为550℃和230℃；再将6H-SiC基片温度降至100℃，再在Bi2Se3薄膜上外延生长3QL的Sb2S3薄膜，Sb2S3薄膜沉积过程中，Sb、S蒸发源的温度分别为500℃和150℃。步骤(2)中，所述的超高真空为(2-3)×10-10Torr。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：(1)可将狄拉克点位置从低于价带顶调节至带隙之中，在Bi2Se3体系中可将狄拉克点从低于价带顶0.1eV调节至高于价带顶0.09eV，处于禁带的中心区域，从而可以抑制非自旋极化电子参与导电而引起的热耗散。(2)可以提高狄拉克点附近能量的色散线性度，纯Bi2Se3薄膜狄拉克点附近价带的费米速度为而表面覆盖厚度为3QL的Sb2S3之后费米速度提升至提升了40％。(3)电子自旋极化率也从0.65提升至了0.91，提高了40％。(4)可以将自旋极化电子流输运通道宽度从原来的1QL增加至3QL，从而提高自旋流输运能力。(5)由于Sb2S3的存在，可以有效减小表面污染等因素对自旋极化电子输运通道输运能力的影响，从而提高器件的稳定性和可靠度。附图说明图1为3QLSb2S3覆盖的6QLBi2Se3复合薄膜结构示意图。图2为3QLSb2S3覆盖的6QLBi2Se3复合薄膜能带图。图3为3QLSb2S3覆盖6QLBi2Se3Dirac点附近价带的自旋分辨电荷密度图。图4为3QLSb2S3覆盖的3QLBi2Se3复合薄膜能带图。图5为9QLBi2Se3薄膜的能带图(a)和自旋分辨电荷密度图(b)。图6为3QLAs2S3覆盖6QLBi2Se3薄膜的自旋分辨电荷密度图。具体实施方式下面将结合附图及具体实施例对本专利技术提供的复合拓扑绝缘薄膜结构及其优点作进一步的详细说明。本专利技术的提供了一种拓扑绝缘体复合薄膜结构，如图1所示，其包括由6H-SiC(0001)或SrTiO3构成的基片，用于支撑生长在其上的拓扑绝缘体复合薄膜，在基片上依次外延生长的6QLBi2Se3拓扑绝缘体薄膜和3QLSb2S3普通半导体薄膜。基片材料的选取并非非常严苛，以能在其上外延生长Bi2Se3薄膜为准。Bi2Se3系列拓扑绝缘体，包括Bi2Se3、Bi2Te3、Sb2Te3，都具有层状的结构，由一个个五原子层(quintuplelayer,QL)这样基本的单元堆积而成。每一个五原子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有高自旋极化电子流输运通道的拓扑绝缘体复合薄膜，其特征在于，所述复合薄膜由依次连接的6H‑SiC(0001)基片、Bi2Se3薄膜和Sb2S3薄膜组成。

【技术特征摘要】
1.一种具有高自旋极化电子流输运通道的拓扑绝缘体复合薄膜，其特征在于，所述复合薄膜由依次连接的6H-SiC(0001)基片、Bi2Se3薄膜和Sb2S3薄膜组成。2.如权利要求1所述的复合薄膜，其特征在于，Bi2Se3薄膜为6QL。3.如权利要求1所述的复合薄膜，其特征在于，Sb2S3薄膜的厚度为3QL。4.如权利要求1-3任一所述的复合薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)在分子束外延系统的束源炉中分别装上高纯的Bi、Se、Sb、S原料，将6H-SiC(0001)基片固定于样品架上；(2)将系统抽至超高真空，并对6H-SiC基片和原料进行除气处理；(...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓雄，高海齐，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32