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研究生: 陳威寧
Chen, Wen-Ning
論文名稱: BiTeSe合金磊晶成長結構與特性分析
The MBE growth,structure and electronic property of BiTeSe alloys
指導教授: 黃榮俊
Huang, Jung-Chun-Andrew
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 物理學系
Department of Physics
論文出版年: 2013
畢業學年度: 101
語文別: 中文
論文頁數: 73
中文關鍵詞: 拓樸絕緣體鉍碲硒合金拉曼光譜
外文關鍵詞: Topological insulator, BiTeSe alloys, Raman spectra
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  • 本實驗首次利用分子束磊晶系統(Molecular Beam Epitaxy)在氧化鋁(0001)基板上製備鉍碲硒三元合金薄膜,由臨場高能量電子繞射儀(RHEED)與AFM判斷膜面平坦程度,從XRD顯示出合金薄膜呈現單晶C軸取向且隨比例變化繞射峰則有偏移的趨勢並利用Vegard’s law定量出合金原子比例,隨後界定出合金特殊結構比例其Te:Se為1:2與2:1,之後本論文將配合結構模型分析其物理特性;電性方面,嘗試比較不同的原子比列對於電性傳輸的影響可由變溫電阻量測圖發現有在低溫時有電性轉換的現象,而Bi2Te2Se擁有最高的電阻率,霍爾量測結果顯示合金薄膜均為n型且載子濃度約為1019左右,合金的拉曼光譜可以直接觀察到三種震盪模式,隨比例改變震盪峰呈現偏移的趨勢,因原子摻雜位置的不同使得A11g與E2g有震盪峰分裂的現象。

    It’s the first time that the BiTeSe ternary alloys thin film is prepared on Al2O3(0001) substrate in this experiment, and the roughness is judged by RHEED and AMF. The XRD reveals that the thin film presents single crystalline (00c) of which the trend of diffraction peak shifts along with changing ratio and definite quantitative the ratio of with Vegard’s law. Then we can determinate the special structural proportion of atoms Te : Se is 1:2 and 2:1,its physical property will be analyzed through analysis structure model in this research. In terms of electrically, when comparing how the different ratio effect the transmission of electrical property, we found that the phenomenon of transfer occurs in low temperature and Bi2Te2Se has the highest resistivity. The result of Hall measurement shows that the film are all n-type and the concentration of carriers show almost 1019 . Furthermore, There are three vibration mode can be observed directly from the Raman spectrum of alloys, which presents the trend of shifting along with changing peak. It is resulted from that A11g and E2g have the phenomenon of splitting peak which is led by difference of the doping position.

    目錄 摘要 I Abstract II 致謝 III 目錄 IV 表目錄 VI 圖目錄 VII 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 拓樸絕緣體之特性簡介 2 1-3 文獻回顧 4 1-3-1 早期合金的熱電研究之相關文獻 4 1-3-2 Bi2Se3與Bi2Te3晶體結構之相關文獻 6 1-3-3 Bi2Se3與Bi2Te3電性分析之相關文獻 12 1-4 研究動機 16 第二章 儀器介紹 17 2-1 分子束磊晶系統 17 2-2 實驗量測儀器 23 2-2-1 反射式高能電子繞射儀(Reflection High Energy Electron Diffraction,RHEED) 23 2-2-2 X-ray 繞射儀 25 2-2-3 原子力顯微鏡(AFM) 26 2-2-4 四點電性量測 29 2-2-6 拉曼光譜量測 (Raman spectroscopy) 30 2-2-5 霍爾效應量測 (Hall Effect) 31 第三章 實驗流程與方法 32 3-1 實驗步驟 32 3-1-1 真空系統環境的準備 32 3-1-2 基本備製 33 3-1-3 樣品成長 33 3-2 實驗方法 34 3-3 樣品量測 35 第四章實驗結果與討論 36 4-1合金薄膜磊晶結構 37 4-1-1 X-ray 繞射分析結果 38 4-1-2 XRR分析結果 45 4-1-3 AFM分析結果 48 4-2 合金薄膜電性分析 50 4-2-1 R-T 量測分析結果 50 4-2-2 Hall 量測實驗結果 56 4-3 光學特性分析 58 4-3-1 拉曼光譜 58 第五章 結論 66 References 67 附錄 69   表目錄 表2-1.1 實驗所用幫浦系統 22 表4-1-1.1 不同比例與XRD各峰值位置表 39 表4-1-1.2 不同比例與晶格常數對應表 41 表4-2-3 合金標示(x,y)相互轉換列表 53 表4-2-2.1 Bi2TexSe3-x合金之載子濃度與遷移率列表 57   圖目錄 圖1-2.1 Bi2Se3的能帶結構示意圖[13] 3 圖1-3-1.1 (a)為Bi2Te3、 Bi2Te3-xSex合金、Bi2Se3之XRD圖 5 (b)為以015繞射峰觀察偏移趨勢 5 圖1-3-1.2 (a)為Bi2Te3、 Bi2Te3-xSex合金、Bi2Se3之拉曼光譜圖 5 (b)為震動模式示意圖 5 (c)為Se比例與震盪峰位置關係圖 5 圖1-3-2.1 (a)為Bi2Se3晶體結構透視圖 7 (b)為c軸結構俯視圖 7 (c)為Bi2Se3晶體結構的側視圖 7 圖1-3-2.4 Bi2Te3單位晶包圖 9 圖1-3-2.3 (a)為Bi2Te3(001)之HAADF-STEM圖像 9 (b)為(a)的紅色區域放大圖 9 (c)、(d)分別為Bi與Te的EDS maps影像圖 9 (e)為(c)與(d)疊合圖,紅色表示Bi,綠色表示Te 9 (f)為Bi2Te3結構圖 9 圖1-3-2.5 (a)為Bi2Te2Se (001)之HAADF-STEM圖像 10 (b)為Bi的EDS maps影像圖 10 (c)為Se的EDS maps影像圖 10 (d)為Te的EDS maps影像圖 10 (e)為(b)、(c)與(d)疊合圖 10 (f)為Bi2Te2Se線性掃描影像結構圖 10 圖1-3-2.6 (a)為Bi2TeSe2 (001)之HAADF-STEM圖像 11 (b)為Bi的EDS maps影像圖 11 (c)為Se的EDS maps影像圖 11 (d)為Te的EDS maps影像圖 11 (e)為(b)、(c)與(d)疊合圖 11 (f)為Bi2TeSe2線性掃描影像結構圖 11 圖1-3-3.1 元件示意圖 12 圖1-3-3.2 不同膜厚的Bi2Se3薄膜之變溫電阻量測圖 13 圖1-3-3.3 (a)為導電率與薄膜厚度之低溫關係圖 13 (b)為(a)之虛線框放大圖 13 圖1-3-3.4 (a)為量測表面與(b)為塊材電阻的裝置示意圖 14 圖1-3-3.5 (a)為Bi2Te3表面與塊材之變溫電阻圖 15 (b)為Bi2Te3塊材電阻與溫度分區示意圖 15 圖2-1.1 分子束系統儀器裝置圖 18 圖2-1.2(a)為分子源坩鍋 19 圖2-1.2(b) 電子鎗靠近坩鍋附近之圖示 20 圖2-2-1.1 RHEED工作示意圖 23 圖 2-2-1.2 不同的繞射圖案點對應於不同的表面粗糙度 24 圖2-2-2.1 為XRD原理示意圖 25 圖2-2-2.2 XRD旋轉晶體繞射示意圖 26 圖2-2-3.1 Contact- mode AFM 掃瞄原理 27 圖2-2-3.2 Noncontact- mode AFM 掃瞄原理 28 圖2-2-4.1 四點量測示意圖 29 圖2-2-5.1(a)、(b) 霍爾量測原理示意圖 31 圖2-2-6.1 Raman光譜效應簡化示意圖 30 圖3-3.1 實驗流程圖 35 圖4-1.1 RHEED 繞射圖: (a)為sappire (0001)繞射圖 37 (b)、(c)為Bi2TexSe3-x合金繞射圖 37 圖4-1-1.1 不同鍍源比之XRD繞射圖 38 圖4-1-1.2 鍍源比(Te/Se)與偏移量作圖 40 圖4-1-1.3 鍍源比(Te/Se)與晶格常數關係圖 41 圖4-1-1.4 合金穩定結構圖 43 圖4-1-1.5 晶格常數linear fitting圖 43 圖4-1-1.6 Bi2TexSe3-x合金比例與半高寬之關係圖 44 圖4-1-2.1 Te比例與薄膜厚度作圖 45 圖4-1-2.2 Bi2TexSe3-x合金XRR fitting圖 47 圖4-1-3.1 Bi2TexSe3-x合金薄膜AFM圖 49 圖4-2-1.1 (a) Bi2TexSe3-x合金變溫電阻曲線圖 51 (b)Bi2Te2Se與Bi2Te3晶體結構圖,其中藍色表示Bi原子、紅色表示Se原子、黃色表示Te原子 51 圖4-2-1.2 電阻與溫度的關係示意圖 52 圖4-2-1.3 轉變溫度與Bi2TexSe3-x合金比例作圖 53 圖4-2-1.4 固定溫度250K的Bi2Te3-ySey合金比例與電阻率關係圖 54 圖4-2-1.5 文獻溫度250K的Bi2Te3-ySey合金比例與電阻率關係圖[7] 55 圖4-2-1.6 高溫250K 與低溫30K 之電阻率比較圖 55 圖4-2-2.1 載子濃度與Bi2TexSe3-x合金比例關係圖 56 圖 4-3-1.1 Raman震動模式示意圖 58 圖4-3-1.2 Bi2TexSe3-x合金薄膜的Raman光譜圖 60 圖 4-3-1.3 特殊結構(x=0、x=0.97、x=1.96、x=3)偏移與疊合示意圖 60 圖4-1-3.4 Bi2TexSe3-x合金各別fitting圖 62 圖4-1-3.5 Bi2TexSe3-x合金薄膜比例與震盪峰位置關係圖 64 圖4-1-3.6 (a)(Bi1-ySby)2Te3拉曼光譜圖,藍色表示Sb取代Bi的位置 (b)Bi2(Te1-xSex)3拉曼光譜圖,紅色表示Te取代Se的位置 64 圖4-1-3.7 A11g震動峰半高寬與比例之關係圖 65

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    下載圖示 校內:2018-09-10公開
    校外:2023-01-01公開
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