[發明專利]一種Bi4

有效

• 申請號: 202110708350.3
• 申請日: 2021-06-25
• 公開（公告）號: CN113445124B
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發明（設計）人: 張旭;肖文德;彭祥麟;董旭;李驥;韓俊峰;姚裕貴
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: C30B29/12
• 分類號: C30B29/12;C30B23/02;C30B33/02
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 楊志兵

本發明涉及一種Bi₄Br₄薄膜及其制備方法，屬于半導體材料和拓撲材料領域。所述薄膜為α相Bi₄Br₄。采用分子束外延生長技術，在基底上生長Bi薄膜；所述基底為過渡金屬硫族化合物單晶(001)解理面或HOPG(0001)解理面；將BiBr₃采用高溫裂解的方式在Bi薄膜的表面上沉積Bi和Br，當沉積在Bi薄膜表面上的薄膜的厚度是Bi薄膜厚度的4～5倍時，沉積結束；當基底為HOPG(0001)解理面時，基底上的薄膜為Bi₄Br₄薄膜；當基底為過渡金屬硫族化合物單晶(001)解理面時，基底上的薄膜為BiBr薄膜，對其進行退火處理，得到Bi₄Br₄薄膜。所述Bi₄Br₄薄膜品質良好，制備方法簡單。

技術領域

本發明涉及一種Bi₄Br₄薄膜及其制備方法，屬于半導體材料和拓撲材料領域。

背景技術

拓撲絕緣體是一種內部絕緣，表面允許電荷移動的材料，擁有自旋軌道鎖定的表面態和邊緣態。理論上，拓撲絕緣體通過電子結構的調控，能實現無耗散的載流子傳輸、量子自旋霍爾效應、量子反常霍爾效應。拓撲絕緣體的發現不僅豐富了凝聚態物理的內涵，還可能為自旋電子學、量子計算和光電器件等領域帶來深刻的技術變革；并有研究報道拓撲絕緣體可以在紅外探測系統、量子傳感系統和飽和吸收體方面進行應用。

2007年，維爾茨堡大學Molenkamp研究組成功制備具有拓撲屬性的 HgTe/CdTe量子阱，發現量子自旋霍爾效應。2013年清華大學薛其坤研究組在拓撲薄膜(Bi,Sb)₂Te₃中觀測到了量子反常霍爾效應。但由于許多拓撲材料體系結構復雜、制備困難且僅能工作在極低溫度條件下，因此具有拓撲屬性的薄膜一般對材料的選擇和制備要求都非常高，目前報道的具有拓撲屬性的薄膜材料還非常少。

Bi₄Br₄是一種性能優良的拓撲絕緣體，Bi₄Br₄分為單層材料和多層材料，其中，單層Bi₄Br₄的全局體能隙約為180meV，由于室溫引起的能量漲落約為26 meV，所以，理論上該材料可以在室溫條件下正常工作；另外，α相Bi₄Br₄材料，其(100)面還保留著起源于拓撲的邊緣態，能夠顯著吸收小于帶隙(0.2eV) 的中遠紅外的光子，在大于7微米中遠紅外波段具有寬光譜的響應，在新型紅外系統中將有重要應用；β相Bi₄Br₄三維塊體材料是弱拓撲絕緣體，在單軸應變下，體系將發生拓撲相變，有利于實現拓撲性能的調控。

目前，Bi₄Br₄還只有塊體狀的材料，通常薄膜狀的材料更有利于應用，但是針對Bi₄Br₄材料還沒有相關薄膜化的技術報道，因為Bi₄Br₄在常壓下的穩定相是α相Bi₄Br₄，具有各向異性的準一維鏈結構，其鏈內化學鍵較強，而鏈間范德華力較弱，所以，在生長過程中難以形成薄膜；Bi₄Br₄作為一種拓撲絕緣體，薄膜制備的優劣對其性能的影響至關重要，因為薄膜中的缺陷或摻雜都會使Bi₄Br₄薄膜喪失拓撲邊緣態導電性；進而會限制Bi₄Br₄這種拓撲材料在工業方面的應用。