Bi_2Se_3纳米线的生长及其圆偏振光电流的研究_李铭贵.pdf

第 51 卷 第 1 期2023 年 2 月福州大学学报(自然科学版)Journal of Fuzhou University(Natural Science Edition)Vol 51 No 1Feb 2023DOI:107631/issn1000224322009文章编号:10002243(2023)01002007Bi2Se3纳米线的生长及其圆偏振光电流的研究李铭贵，崔广州，俞金玲(福州大学物理与信息工程学院，福建 福州350108)摘要:采用化学气相沉积法制备拓扑绝缘体 Bi2Se3纳米线 系统分析生长温度和气体流量对 Bi2Se3纳米线的形貌、晶体质量的影响，并研究 Bi2Se3纳米线的圆偏振光致电流 研究结果表明，Bi2Se3纳米线的最佳生长温度为 530，气体流量为 30 mLmin1 通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉曼等表征手段，表明所生长的 Bi2Se3纳米线具有较高的质量 Bi2Se3纳米线的光电流随着四分之一波片的变化表明，Bi2Se3纳米线具有较强的自旋轨道耦合效应 圆偏振光致电流随入射角的增大而减小，这是因为 Bi2Se3的对称性结构为 C3V 相比Bi2Se3薄膜或者 Bi2Se3纳米片，Bi2Se3纳米线具有更大的 CPGE 电流，这可能是因为纳米线具有更大的比表面积，可以避免表面态信号淹没在体态信号中关键词:拓扑绝缘体;化学气相沉积法;Bi2Se3纳米线;圆偏振光致电流效应中图分类号:O4723文献标识码:AGrowth and circular photogalvanic effect investigation of Bi2Se3nanowiresLI Minggui，CUI Guangzhou，YU Jinling(College of Physics and Information Engineering，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian 350108，China)Abstract:In this paper，Bi2Se3nanowires were grown by chemical vapor deposition The effects ofgrowth temperature and gas flow rate on the morphology and crystal quality of Bi2Se3nanowires weresystematically studied，and the Bi2Se3nanowires were fabricated into a single nanowire device to studythe circular photogalvanic effect of Bi2Se3nanowire The results show that the optimum growth condi-tions of Bi2Se3nanowires are temperature 530 and gas flow 30 mLmin1 Scanning electron micro-scope，transmission electron microscope，aman spectra and other characterization methods show thatthe grown Bi2Se3nanowires have high quality The dependence of the photocurrent induced by thecircular photogalvanic effect of the Bi2Se3nanowire on incident angle indicates that the symmetricstructure of Bi2Se3is C3V Compared with Bi2Se3thin films or Bi2Se3nanoplates，Bi2Se3nanowireshave larger CPGE due to significantly enhanced surface-to-volume ratio，which can avoid the contribu-tions from surface states are masked by the bulk carriersKeywords:topological insulator;chemical vapor deposition;Bi2Se3nanowires;circular photogalvaniceffect0引言拓扑绝缘体 Bi2Se3作为一种新型的量子材料，具有非平庸和无带隙的独特表面态，引起了科学家的广泛关注1 由于拓扑绝缘体独特的表面态性质，电子受到时间反演对称性的保护，使得电子在输运的过程中不会被散射到与之相反的方向 同时，拓扑绝缘体具有强烈的自旋轨道耦合效应 在强烈的自旋轨道耦合效应和时间反演对称性保护下，表面态电子的自旋与动量是垂直锁定的，即能量相同而动量相反的电子有着相反的自旋方向2 利用拓扑绝缘体这种性质，可以构建表面态电子的高速输运通道并制造无耗散的自旋电子器件收稿日期:20220110通信作者:俞金玲(1983)，教授，主要从事半导体及拓扑绝缘体的自旋相关光电流方面研究，jlyu semiaccn基金项目:国家自然科学基金资助项目(62074036);福建省对外合作资助项目(2019I0005);福建省高校杰出青年科研计划资助项目(00382408)第 1 期李铭贵，等:Bi2Se3纳米线的生长及其圆偏振光电流的研究http:/xbzrbfzueducn在近几年的实验研究中，研究人员通常使用机械剥离法、分子束外延法3 和化学气相沉积法(chemi-cal vapor deposition，CVD)4 来制备拓扑绝缘体 机械剥离法操作简单，得到的晶体质量较高，但是产量少且形状不规则，不利于工业化生产 分子束外延法获得的样品晶格完整、厚度与尺寸均可控，但仪器昂贵，成本过高 化学气相沉积法原理简单，设备成本相对较低，可大批量生产，因此，本研究选用 CVD 来制备Bi2Se3纳米线 拓扑绝缘体的纳米结构由于其具有较大的比表面积，有利于增强表面态的贡献，是研究拓扑绝缘体奇异表面态输运的理想平台 圆偏振光致电流效应(circular photogalvanic effect，CPGE)是一种研究自旋产生和控制的有效方法5 1实验部分Bi2Se3纳米线用化学气相沉积法生长于 P 型(111)面 Si 衬底上 生长样品前，对衬底进行预处理，使其表面覆盖金纳米颗粒作为催化剂生长点，具体做法如下 将硅片切成 15 cm2 cm 大小，先后用去离子水、丙酮、无水乙醇、去离子水分别超声清洗 5 min，洗完后，立即用氮气枪将其吹干放入培养皿中备用然后，配置多聚赖氨酸(PLL)溶液作为分子黏附剂(带正电荷)，利用移液器量取多聚赖氨酸溶液按1 9(体积比)的比例用去离子水稀释，将配置好的多聚赖氨酸溶液涂覆在硅片上，等待 10 min 后，用去离子水洗掉，再用氮气枪将其吹干;将金纳米颗粒(直径为 20 nm，带负电荷)同样涂覆在硅片上，等待5 min后用氮气枪吹干即可 这样衬底便预处理完毕，具体见图 1 所示 接下来，利用天平称取 30 mg 的硒化铋粉末(纯度为 9999%)放入石英舟中作为物料前驱体，将放有硒化铋粉末的石英舟放在管式炉的炉中心 将搭载预处理过的硅衬底的石英舟放在距离炉中心下游 812 cm 处，石英管两端放上炉塞，以使温度损耗尽量小并降低温度梯度 设定反应温度为 530，反应压强为 25 Pa，Ar 的气体流量设置为30 mLmin1，生长时间为 120 min 生长结束后使其自然冷却，然后通过机械转移法将 Bi2Se3纳米线转移到洗净的硅片上图 1生长装置和金纳米颗粒的扫描电子显微镜图像Fig1Growth device and scanning electron microscope(SEM)image of gold nanoparticles接下来进行标准光刻流程，首先进行匀胶，光刻胶采用负性光刻胶，匀胶参数设为前转 1 000 r、6 s，后转3000 r、30 s 接下来利用热板进行前烘，参数设为110、90 s 然后利用光刻机自带的显微镜将掩模版的两端电极放在硒化铋纳米线的两端，沟道长度为 30 m，曝光时间设为 9 s 曝光后进行后烘，参数设为 110、60 s 接下来进行显影，显影时间设为 70 s，显影结束后用去离子水冲洗 15 s，然后用匀胶机甩干水分，在放在热板上烘干，参数设为 110、120 s 接着用热蒸发机进行蒸镀金薄膜，先称取 045 g 的金放入钨舟中，蒸镀金薄膜的厚度为 60 nm 左右 最后将样品放入丙酮中浸泡 12 h，取出用去离子水冲洗干净，烘干 将沾有银浆的银丝点在金电极上，退火，参数设为 90、90 min2实验结果与讨论21生长温度对 Bi2Se3纳米线的影响Bi2Se3的熔点在 710 左右，金纳米颗粒在 300 以上便会呈现熔融状态，因此温度设置在 300700 12福州大学学报(自然科学版)第 51 卷http:/xbzrbfzueducn之间 通过文献 68 可知，生长过程中，温度过高会使得 Bi2Se3纳米线进行二次蒸发或者二次成核，衬底也会产生大量的沉积物，不利于 Bi2Se3纳米线的生长 而温度过低，金纳米颗粒无法融化，导致催化效果不明显，无法有效引导纳米线生长 此外温度太低，Bi2Se3纳米线粉末蒸发过少，也不利于 Bi2Se3纳米线生长 综上考虑，将实验的温度设置为 510、530、550，气体流量保持在 30 mLmin1，压强保持在25 Pa Bi2Se3粉末与衬底的距离为 812 cm，生长时间为 2 h211不同温度 SEM 表征与分析图 2 为生长温度分别为 510、530、550 下 Bi2Se3纳米线 SEM 表征 可以看出 Bi2Se3纳米线无规则、随机地分布在硅衬底上，并且纳米线不是完全躺在硅衬底上，而是有一端悬浮在空中，通过放大悬浮的一端，如图 2(a)所示，可以看出纳米线的顶端包含着金纳米颗粒，进一步说明纳米线的生长方式为气液固生长机制 图 2(b)(d)表明，在温度相对较低的 510，硅衬底上分布着少量的纳米线和纳米带，纳米线的长度较短，大约在 1020 m 之间 随着温度上升到 530，衬底上分布着大量的纳米线和少量的纳米带，纳米线的长度大约在 1080 m 之间，几乎没有片状或者块状的纳米材料出现 温度进一步上升到 550，纳米线数量显著下降，只有少量的纳米线存在，并且生成大量的 Bi2Se3纳米片，呈现三角形或者六边形图 2不同温度下的 SEM 图像Fig2SEM images at different temperatures通过分析不同温度下 Bi2Se3纳米材料的不同形貌，在温度较低的 510，出现符合生长 Bi2Se3纳米线的生长条件 但是由于温度较低，药品蒸发的量较少，使得熔融状态的金纳米颗粒难以过饱和析出，因此只能生长出较少的纳米线和纳米带 随着温度升高到 530，Bi2Se3粉末蒸发速度加快，大量的 Bi2Se3气体分子不断溶入金纳米液滴并不断过饱和析出，使得纳米线数量多且长度较长、质量也相对较好 当温度升高到 550 时，由于 Bi2Se3粉末蒸发速度过快，导致溶入金纳米液滴的速度没跟上蒸发的速度，使得衬底出现大量沉积物;并且衬底的温度也相对较高，导致蒸发过来的气体分子具有更高的能量，能够克服更高的结合能，从而不会被金纳米液滴所限制，能够在其他方向生长，进而出现Bi2Se3纳米片等纳米材料212不同温度拉曼(aman)表征与分析图 3 为不同生长温度下 Bi2Se3纳米线 aman 表征 Bi2Se3纳米线标准特征峰位置在 71、131、174 cm1，22