科普專欄 / Information

中科院科學家研究實現超薄碲薄膜的制備及其面内p-n結構築

碲,英文名tellurium,源自拉丁文tellus(意為地球),是自然界中能穩定存在的最重的硫族元素。碲在單質和化合物中具有較強的自旋軌道耦合效應,其化合物是許多新奇物理現象的載體。近期,有關碲結構和性質的理論與實驗研究正在引起研究人員的關注。

最近,中國科學院科學家團隊——物理研究所/北京凝聚态物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室SF06組博士生黃筱淳在副研究員王炜華和研究員郭建東的指導下,利用分子束外延技術,在SiC(0001)襯底外延石墨烯表面成功制備了單層和少量層碲薄膜,并利用低溫掃描隧道顯微鏡和掃描隧道譜儀對碲薄膜進行了原位表征。實驗發現制備出的碲薄膜由螺旋碲原子鍊平行排列而成,對應于體相晶體的b0-c0面,如圖1所示。同時,随碲薄膜厚度增加,碲薄膜的帶隙從單層中的0.92 eV單調減小至體相的0.33 eV(圖2)。相關工作于6月28日發表于《納米快報》【Nano Lett. 17, 4619 (2017)】。郭建東、王炜華課題組進一步發現,随SiC襯底上外延石墨烯的層數增加,襯底對單層碲薄膜的電子摻雜逐漸減弱:在單層和雙層石墨烯上的單層碲薄膜表現為n型半導體,而在三層石墨烯上的單層碲薄膜則表現為p型半導體,如圖3所示。在此基礎上,通過生長晶格連續跨過單層/三層石墨烯襯底台階邊緣的單層碲薄膜,他們成功獲得了面内p-n結。對應的結區寬度為6.2 nm,内建電場為4×105 Vcm-1,如圖4所示。相關工作以通訊形式于6月12日發表在《先進材料》雜志上【Adv. Mater. 2018, 1802065 (2018)】。

以上工作得到科技部(2016YFA0300600, 2016YFA0202300,2017YFA0303600)、國家自然科學基金委(11634016,11474334)和中科院先導項目(XDB07030100)的資助。

圖1 碲晶體結構及碲薄膜原子結構示意圖。

圖2 碲薄膜的STM圖像以及碲薄膜的帶隙随薄膜層數的變化。

圖3 利用SiC襯底外延石墨烯的層數調控單層碲薄膜中的電子摻雜。

圖4 基于單層Te薄膜的面内p-n結。

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