一种具有超高电子迁移率的体绝缘拓扑绝缘体单晶及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有超高电子迁移率的体绝缘拓扑绝缘体单晶及其制备方法，属于单晶材料技术领域

【技术实现步骤摘要】
一种具有超高电子迁移率的体绝缘拓扑绝缘体单晶及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种具有超高电子迁移率的体绝缘拓扑绝缘体单晶及其制备方法，属于单晶材料

。

技术介绍

[0002]拓扑绝缘体是一种内部绝缘，但是表面具有无功耗导电通道的拓扑材料，并且该表面态受到时间反演对称性的保护，性质不受杂质散射的影响，因此拓扑绝缘体被认为在低功耗电子传输
、
自旋电子学
、
光电探测
、
量子传感等领域具有巨大的应用潜力
。
硒化铋（
Bi2Se3）家族作为大带隙的三维拓扑绝缘体，由于该材料在空气中性质稳定，所以被广泛应用于信息和传感器件等领域
。
然而，随着研究的深入人们发现
Bi2Se3的体绝缘性质不是很好，主要原因在于其单晶材料的质量问题，例如缺陷和反位等
。
因此，如何降低材料体系中的缺陷和反位，提高材料的体绝缘特性就尤为重要
。
只有得到较高表面态电子迁移率的体绝缘样品，才能促进后续基于拓扑绝缘体的量子器件和未来应用
。
[0003]BiSbTeSe2（
BSTS
）具有和
Bi2Se3同样的晶体结构，是一种体绝缘性能较好的拓扑绝缘体
。
目前已经有相关文献报道了利用融熔法和布里奇曼法等方法制备
BiSbTeSe2单晶并对其体绝缘性能进行了研究和调控
。
其中：
1、
融熔法：在马弗炉中制备熔融生长
BSTS
单晶样品，首先将化学计量比的材料放置于石英管中；其次将石英管放置在马弗炉的中心，以
0.1℃/min
的加热速率缓慢升至
850℃
，并在该温度下保持
48
小时，期间通过轻轻摇动石英管进行混合；最后将石英管以
0.1℃/min
的速率将样品冷却至
550℃
，并在该温度下退火
96
小时后以
0.1℃/min
的速率冷却至室温
。2、
布里奇曼法：布里奇曼生长在具有三个线圈加热器的垂直布里奇曼炉中进行
。
按照方法1中配好料的石英管的一端用细绳固定，并垂直放置在第一加热区上方的高度
。
而绳子的另一端连接到运动控制器
。
温区温度设置为
670℃、770℃
暖区
、
热区和冷区分别为
500℃
，顺序为从上到下加热器
。
石英管以
0.6cm/
天的速率垂直向下平移通过熔炉
。3、
两步法：将方法1生长后的样品用作方法2的原料进行生长
。
[0004]虽然已经有相关工作报道了利用现有的技术制备出的
BiSbTeSe2单晶可以使其体绝缘性能在
2K
时可达到2Ω
cm
，体态载流子浓度为
10
15
cm
‑3量级，满足一般的量子器件研究
。
但是，
BiSbTeSe2材料中仍然存在
BiTe
反位（即
Bi
原子占据
Te
位置），影响了其体绝缘特性的提高
。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种具有超高电子迁移率的体绝缘拓扑绝缘体单晶及其制备方法
。
通过掺入
Sn
提高
BiSbTeSe2单晶体绝缘性能，使其电阻率在
2K
时达到接近
10
Ω
·
m
，并将体态载流子浓度调控至
10
13
cm
‑3量级，迁移率提升到
10000cm2/V s。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下
。
[0007]一种具有超高电子迁移率的体绝缘拓扑绝缘体单晶，所述单晶的化学通式为
Sn
x
Bi1‑
x
SbTeSe2，其中，
0.01≤x≤0.05。
[0008]优选的，
0.02≤x≤0.04。
[0009]本专利技术所述的一种具有超高电子迁移率的体绝缘拓扑绝缘体单晶的制备方法，方法步骤包括：（1）采用氢气还原法除去
Sn
颗粒
、Bi
颗粒
、Sb
颗粒
、Te 颗粒和
Se 颗粒原料表面的氧化层；（2）按照拓扑绝缘体单晶的化学计量比，在水和氧含量小于
0.1ppm、
充有氩气的手套箱内称取步骤（1）除去表面的氧化层的原料
Sn、Bi、Sb、Te
和
Se
，将称量好的原料装在底部为圆锥形的石英管中，将石英管真空密封；（3）将步骤（2）真空密封后的石英管放入高温炉中，升温到
850℃~900℃
，恒温保持
48h~72h
并进行摇晃，随后降温到
500℃~550℃
，保温
24h
以上，后关闭高温炉，得到前驱体；（4）将步骤（3）保温后的石英管放入垂直的布里奇曼炉中，布里奇曼炉中心区域温度设置为
750℃~720℃
，所述石英管盛有前驱体的圆锥状底部以
0.5mm/h~2mm/h
的下降速度通过布里奇曼炉中心区域直到炉底，关闭布里奇曼炉；（5）打开石英管，取出晶体，得到一种具有超高电子迁移率的体绝缘拓扑绝缘体单晶
。
[0010]优选的，步骤（1）中，将
Sn
颗粒
、Bi
颗粒
、Sb
颗粒
、Te 颗粒和
Se 颗粒分别装入石英管中，然后在真空封管系统中用氩气进行洗气处理，最后向石英管内充进
0.8
个大气压以上的氢气，将氢气密封在石英管内；将上述原料分别在低于各自熔点
50℃
的温度下进行退火，以除去表面的氧化层，退火结束后用金刚石切割机将密封的石英管切除一圈凹纹，在水和氧含量小于
0.1ppm
且充氩气的手套箱中将密封的石英管掰开，得到除去表面的氧化层的原料
Sn、Bi、Sb、Te
和
Se。
[0011]优选的，步骤（2）中，将石英管在真空度小于等于5×
10
‑4Pa
的封管系统中密封
。
[0012]优选的，步骤（3）中，将步骤（2）真空密封后的石英管放入高温炉中，经过
11h~12h
升温到
850℃~900℃
，恒温保持
48h~72h
并摇晃
30
次
~40
次，摇晃次数越多，熔体的均匀性越本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种具有超高电子迁移率的体绝缘拓扑绝缘体单晶，其特征在于：所述单晶的化学通式为
Sn
x
Bi1‑
x
SbTeSe2，其中，
0.01≤x≤0.05。2.
如权利要求1所述的一种具有超高电子迁移率的体绝缘拓扑绝缘体单晶，其特征在于：
0.02≤x≤0.04。3.
一种如权利要求1或2所述的具有超高电子迁移率的体绝缘拓扑绝缘体单晶的制备方法，其特征在于：方法步骤包括：（1）采用氢气还原法除去
Sn
颗粒
、Bi
颗粒
、Sb
颗粒
、Te 颗粒和
Se 颗粒原料表面的氧化层；（2）按照拓扑绝缘体单晶的化学计量比，在水和氧含量小于
0.1ppm、
充有氩气的手套箱内称取步骤（1）除去表面的氧化层的原料
Sn、Bi、Sb、Te
和
Se
，将称量好的原料装在底部为圆锥形的石英管中，将石英管真空密封；（3）将步骤（2）真空密封后的石英管放入高温炉中，升温到
850℃~900℃
，恒温保持
48h~72h
并进行摇晃，随后降温到
500℃~550℃
，保温
24h
以上，后关闭高温炉，得到前驱体；（4）将步骤（3）保温后的石英管放入垂直的布里奇曼炉中，布里奇曼炉中心区域温度设置为
750℃~720℃
，所述石英管盛有前驱体的圆锥状底部以
0.5mm/h~2mm/h
的下降速度通过布里奇曼炉中心区域直到炉底，关闭布里奇曼炉；（5）打开石英管，取出晶体，得到一种具有超高电子迁移率的体绝...

【专利技术属性】
技术研发人员：王秩伟，朱鹏，
申请(专利权)人：北京理工大学长三角研究院嘉兴，
类型：发明
国别省市：