本發(fā)明涉及拓撲絕緣體材料的制備方法，尤其涉及拓撲絕緣體的異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法。

背景技術(shù)：

拓撲絕緣體是區(qū)別于普通絕緣體的一類絕緣體，其體內(nèi)與人們通常認識的絕緣體一樣，是絕緣的；但是,在它的邊界或表面總是存在導(dǎo)電的邊緣態(tài)，這是它有別于普通絕緣體的最獨特的性質(zhì)。這種獨特性質(zhì)稱為“拓撲”對稱性，即不斷去掉拓撲絕緣體的表面，其出現(xiàn)的新的表面也始終為導(dǎo)電的邊緣態(tài)。也即其表面的導(dǎo)電邊緣態(tài)是穩(wěn)定存在的。其原因是電子的強自旋軌道耦合，形成了無能隙、無耗散，不易受到體系中缺陷、非磁性雜質(zhì)破壞的導(dǎo)電表面態(tài)。其表面邊緣態(tài)的不同自旋的導(dǎo)電電子的運動方向是相反的，基于量子霍爾效應(yīng)，在拓撲絕緣體內(nèi)引入鐵磁序，在外部零磁場的環(huán)境下，通過其電子的自旋方向可以傳遞信息，而不是像傳統(tǒng)材料通過電荷的存在或有無電荷的流動來傳遞信息。從而人們可以開發(fā)出基于電子自旋方向的自旋電子器件、量子計算電子器件。較之，現(xiàn)有的基于電荷流動的電子器件，自旋電子器件由于電子自旋方向具有“拓撲”對稱性質(zhì)，使其抗干擾及散射能力強，能耗低。這些特點使其在未來低能耗的自旋電子器件及量子計算機中有著廣泛的應(yīng)用前景。

目前研究最多的拓撲絕緣體材料是ⅴ2ⅵ3家族材料：bi2se3，bi2te3和sb2te3。這一類材料具有簡單的表面能帶結(jié)構(gòu)(單個狄拉克錐dirac)，體能隙相對較大(其中bi2se3能隙為0.3ev)，而且制備過程較簡單。

要將拓撲絕緣體實際應(yīng)用于自旋電子器件，在制備出物理性能優(yōu)良的拓撲絕緣體材料的基礎(chǔ)上引入鐵磁序是極為重要的突破口。常規(guī)引入鐵磁序的方式有磁性摻雜和鐵磁性誘導(dǎo)，但是磁性摻雜會引入大量的雜質(zhì)，摻雜的不均勻性可能會破壞拓撲絕緣體的時間反演對稱：使其表面態(tài)產(chǎn)生能隙，導(dǎo)電邊緣態(tài)被破壞。在拓撲絕緣體的表面形成鐵磁體異質(zhì)結(jié)構(gòu)膜，鐵磁體膜的磁性通過近鄰效應(yīng)將鐵磁體膜的磁性引入拓撲絕緣體是更為有效的方式，即異質(zhì)結(jié)構(gòu)的拓撲絕緣體在電子自旋器件制備應(yīng)用上的前景廣闊。目前，制備異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜的方法，大都是基于分子束外延(mbe)技術(shù)和蒸鍍鍍膜技術(shù)的方法。分子束外延(mbe)技術(shù)要求的高真空、高純度氣體、高昂貴設(shè)備，其制備成本高。蒸鍍鍍膜技術(shù)形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜膜不平整且鍍膜過程復(fù)雜，異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜制備可重復(fù)性差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種拓撲絕緣體bi2se3/fese2異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，該方法易控制鍍膜量，形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜平整、性能好。且其制備成本低。

本發(fā)明實現(xiàn)其發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案是，一種拓撲絕緣體bi2se3/fese2異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，其步驟是：

a、fese基膜的制備：以fese材料作為靶材，在si(100)基片上磁控濺射形成fese基膜；所述的磁控濺射的具體做法是：基片與靶材的間距為5cm-7cm，將磁控濺射設(shè)備的真空室抽真空至氣壓小于2×10^-4pa，再通入分析純的氬氣，使真空室的氣壓為0.4pa-0.6pa，調(diào)整襯底溫度為380-420℃，濺射功率密度為2.80w/cm²-3.31w/cm²，濺射時間為10-30min；

b、fese2退火成相：將a步得到的濺射有fese基膜的基片和硒粒一起封入氣壓小于1×10^-2pa的真空石英管中，再將真空石英管置于熱處理爐中，進行退火成相處理，即在基片上得到fese2薄膜；所述的硒粒和基片上的fese基膜的質(zhì)量比為0.1-0.5：1；

c、bi2se3基膜的制備：以bi2se3材料作為靶材，在b步得到的含fese2薄膜的基片上，磁控濺射一層bi2se3膜，進而在基片上形成bi2se3/fese2基膜；所述的磁控濺射的具體做法是：基片與靶材的間距為5cm-7cm，將磁控濺射設(shè)備的真空室抽真空至氣壓小于2×10^-4pa，再通入分析純的氬氣，使真空室氣壓為0.25-0.35pa，調(diào)整襯底溫度為280-320℃，濺射功率密度為2.29w/cm²-2.80w/cm²、濺射時間為3-5min；

d、bi2se3退火成相：將c步得到的帶bi2se3/fese2基膜的基片和硒粒一起封入氣壓小于1×10^-2pa的真空石英管中，所述的硒粒和基片上的bi2se3膜的質(zhì)量比為0.1-0.5：1；再將真空石英管置于熱處理爐中，進行退火成相處理，即制得拓撲絕緣體bi2se3/fese2異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

一、本發(fā)明通過磁控濺射先在基片上形成fese膜，再在富硒環(huán)境下退火成相處理，得到原子重新排列、結(jié)晶性能良好的鐵磁性的fese2薄膜；隨后，磁控濺射拓撲絕緣體的非晶的bi2se3薄膜，再經(jīng)退火成相處理，得到原子重新排列、結(jié)晶性能良好的拓撲絕緣體bi2se3薄膜；從而得到雙層異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜，在保持拓撲絕緣體bi2se3拓撲序的同時引入鐵磁序fese2，為實現(xiàn)拓撲絕緣體bi2se3在低能耗的自旋電子器等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

二、本發(fā)明通過兩次特定工藝參數(shù)的磁控濺射、結(jié)合兩次特定工藝參數(shù)的退火成相處理，制備出拓撲絕緣體bi2se3/fese2異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜。制備的異質(zhì)結(jié)薄膜界面之間、薄膜與基底之間結(jié)合性良好，薄膜表面平整致密，無微孔洞。通過對兩次磁控濺射的工藝參數(shù)調(diào)整，即可方便的控制鍍膜量，進而得到不同膜厚的拓撲絕緣體bi2se3/fese2異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜。

三、本發(fā)明制備過程所要求的真空度僅為10^-4pa數(shù)量級,遠遠小于mbe所要求的10^-8pa,對設(shè)備的要求大大降低，大幅減少了能量的消耗和制備成本。

進一步，本發(fā)明的b步中退火成相處理的具體做法是，以2℃-3℃/分鐘的升溫速度升至480-520℃，保溫6-7小時，然后隨爐冷卻。

進一步，本發(fā)明的d步中退火成相處理的具體做法是，以2℃-3℃/分鐘的升溫速度升至280-320℃，保溫1-3小時，然后隨爐冷卻。

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細說明。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例一制得的異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜的x射線衍射圖譜。

圖2是本發(fā)明實施例一制得的異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜的30000倍掃描電子顯微鏡(sem)照片。

圖3是本發(fā)明實施例二制得的異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜的x射線衍射圖譜。

圖4是本發(fā)明實施例二制得的異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜的30000倍掃描電子顯微鏡(sem)照片。

圖5是本發(fā)明實施例三制得的異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜的x射線衍射圖譜。

圖6是本發(fā)明實施例三制得的異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜的30000倍掃描電子顯微鏡(sem)照片。

具體實施方式

實施例一

一種拓撲絕緣體bi2se3/fese2異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，其步驟是：

a、fese基膜的制備：以fese材料作為靶材，在si(100)基片上磁控濺射形成fese基膜；所述的磁控濺射的具體做法是：基片與靶材的間距為5cm，將磁控濺射設(shè)備的真空室抽真空至氣壓小于2×10^-4pa，再通入分析純的氬氣，使真空室的氣壓為0.5pa，調(diào)整襯底溫度為420℃，濺射功率密度為3.31w/cm²，濺射時間為10min；

b、fese2退火成相：將a步得到的濺射有fese基膜的基片和硒粒一起封入氣壓小于1×10^-2pa的真空石英管中，再將真空石英管置于熱處理爐中，進行退火成相處理，即在基片上得到fese2薄膜；所述的硒粒和基片上的fese基膜的質(zhì)量比為0.5：1；

其中退火成相處理的具體做法是，以2℃/分鐘的升溫速度升至480℃，保溫6小時，然后隨爐冷卻。

c、bi2se3基膜的制備：以bi2se3材料作為靶材，在b步得到的含fese2薄膜的基片上，磁控濺射一層bi2se3膜，進而在基片上形成bi2se3/fese2基膜；所述的磁控濺射的具體做法是：基片與靶材的間距為5cm，將磁控濺射設(shè)備的真空室抽真空至氣壓小于2×10^-4pa，再通入分析純的氬氣，使真空室氣壓為0.3pa，調(diào)整襯底溫度為320℃，濺射功率密度為2.80w/cm²、濺射時間為3min；

d、bi2se3退火成相：將c步得到的帶bi2se3/fese2基膜的基片和硒粒一起封入氣壓小于1×10^-2pa的真空石英管中，所述的硒粒和基片上的bi2se3膜的質(zhì)量比為0.1：1。再將真空石英管置于熱處理爐中，進行退火成相處理，即制得拓撲絕緣體bi2se3/fese2異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜。

其中退火成相處理的具體做法是，以2℃/分鐘的升溫速度升至280℃，保溫2小時，然后隨爐冷卻。

圖1是本實施例制備的異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜的x射線衍射圖譜。從圖1中可以看出，bi2se3的所有(00l)特征峰均已出現(xiàn)，且峰強較強，結(jié)晶度較好；fese2特征峰也已全部出現(xiàn)，并且強度較高，結(jié)晶度較好；圖1的整體成相較純，除很少的基底峰之外無其他雜相。

圖2是本實施例制備的拓撲絕緣體bi2se3/fese2異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜的30000倍掃描電子顯微鏡(sem)照片。由該圖可知：薄膜樣品表面較平整致密，晶粒清晰，其中fese2薄膜結(jié)構(gòu)致密，bi2se3膜具有一定的方向性。

實施例二

一種拓撲絕緣體bi2se3/fese2異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，其步驟是：

a、fese基膜的制備：以fese材料作為靶材，在si(100)基片上磁控濺射形成fese基膜；所述的磁控濺射的具體做法是：基片與靶材的間距為6cm，將磁控濺射設(shè)備的真空室抽真空至氣壓小于2×10^-4pa，再通入分析純的氬氣，使真空室的氣壓為0.4pa，調(diào)整襯底溫度為400℃，濺射功率密度為3.05w/cm²，濺射時間為20min；

b、fese2退火成相：將a步得到的濺射有fese基膜的基片和硒粒一起封入氣壓小于1×10^-2pa的真空石英管中，再將真空石英管置于熱處理爐中，進行退火成相處理，即在基片上得到fese2薄膜；所述的硒粒和基片上的fese基膜的質(zhì)量比為0.1：1；

其中退火成相處理的具體做法是，以3℃/分鐘的升溫速度升至500℃，保溫6.5小時，然后隨爐冷卻。

c、bi2se3基膜的制備：以bi2se3材料作為靶材，在b步得到的含fese2薄膜的基片上，磁控濺射一層bi2se3膜，進而在基片上形成bi2se3/fese2基膜；所述的磁控濺射的具體做法是：基片與靶材的間距為6cm，將磁控濺射設(shè)備的真空室抽真空至氣壓小于2×10^-4pa，再通入分析純的氬氣，使真空室氣壓為0.35pa，調(diào)整襯底溫度為300℃，濺射功率密度為2.55w/cm²、濺射時間為4min；

d、bi2se3退火成相：將c步得到的帶bi2se3/fese2基膜的基片和硒粒一起封入氣壓小于1×10^-2pa的真空石英管中，所述的硒粒和基片上的bi2se3膜的質(zhì)量比為0.5：1。再將真空石英管置于熱處理爐中，進行退火成相處理，即制得拓撲絕緣體bi2se3/fese2異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜。

其中退火成相處理的具體做法是，以2.5℃/分鐘的升溫速度升至300℃，保溫3小時，然后隨爐冷卻。

圖3是本實施例制備的異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜的x射線衍射圖譜。從圖3中也可以看出，bi2se3的所有(00l)特征峰均已出現(xiàn)，且峰強較強，結(jié)晶度較好；fese2特征峰同樣已全部出現(xiàn)，并且強度較高，結(jié)晶度較好；圖3的整體成相也較純，除很少的基底峰之外無其他雜相。

圖4是本實施例制備的拓撲絕緣體bi2se3/fese2異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜的30000倍掃描電子顯微鏡(sem)照片。由該圖可知：制備物的表面較平整致密，晶粒清晰，其中fese2薄膜結(jié)構(gòu)致密，bi2se3膜具有一定的方向性。

實施例三

一種拓撲絕緣體bi2se3/fese2異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，其步驟是：

a、fese基膜的制備：以fese材料作為靶材，在si(100)基片上磁控濺射形成fese基膜；所述的磁控濺射的具體做法是：基片與靶材的間距為7cm，將磁控濺射設(shè)備的真空室抽真空至氣壓小于2×10^-4pa，再通入分析純的氬氣，使真空室的氣壓為0.6pa，調(diào)整襯底溫度為380℃，濺射功率密度為2.80w/cm²，濺射時間為30min；

b、fese2退火成相：將a步得到的濺射有fese基膜的基片和硒粒一起封入氣壓小于1×10^-2pa的真空石英管中，再將真空石英管置于熱處理爐中，進行退火成相處理，即在基片上得到fese2薄膜；所述的硒粒和基片上的fese基膜的質(zhì)量比為0.3：1；

其中退火成相處理的具體做法是，以2.5℃/分鐘的升溫速度升至520℃，保溫7小時，然后隨爐冷卻。

c、bi2se3基膜的制備：以bi2se3材料作為靶材，在b步得到的含fese2薄膜的基片上，磁控濺射一層bi2se3膜，進而在基片上形成bi2se3/fese2基膜；所述的磁控濺射的具體做法是：基片與靶材的間距為7cm，將磁控濺射設(shè)備的真空室抽真空至氣壓小于2×10^-4pa，再通入分析純的氬氣，使真空室氣壓為0.25pa，調(diào)整襯底溫度為280℃，濺射功率密度為2.29w/cm²、濺射時間為5min；

d、bi2se3退火成相：將c步得到的帶bi2se3/fese2基膜的基片和硒粒一起封入氣壓小于1×10^-2pa的真空石英管中，所述的硒粒和基片上的bi2se3膜的質(zhì)量比為0.3：1。再將真空石英管置于熱處理爐中，進行退火成相處理，即制得拓撲絕緣體bi2se3/fese2異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜。

其中退火成相處理的具體做法是，以3℃/分鐘的升溫速度升至320℃，保溫1小時，然后隨爐冷卻。

圖5是本實施例制備的拓撲絕緣體bi2se3/fese2異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜的x射線衍射圖譜。從圖中可以看出bi2se3所有的特征峰均為(00l)衍射峰，且峰強較高，結(jié)晶度較好，xrd中能夠明顯的找到所屬峰的位置；fese2所有峰較實例二峰強更高；圖譜整體成相清晰，除很少的基底峰之外無其他雜相，與實例二相一致。

圖6是本實施例制備的拓撲絕緣體bi2se3/fese2異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜的30000倍掃描電子顯微鏡(sem)照片。由該圖可知：薄膜樣品表面較平整，晶粒清晰，與實例一相比fese2薄膜致密度有一定的提高，底部無明顯間隙，bi2se3膜表現(xiàn)出晶粒的傾向性。