Bi2Se3拓撲絕緣體制備與力學、電化學性能研究.pdf

1、Bi2Se3是最新發(fā)現的一種新型三維拓撲絕緣體材料，具有一系列優(yōu)異的電學特性，在低能耗電子器件領域有很大應用前景。納米尺寸的Bi2Se3成為當前的研究熱點，其合成技術還不完善，尤其是制備用于微電子器件的超大尺寸Bi2Se3納米結構還不成熟。同時，Bi2Se3的拓撲絕緣特性只有在厚度足夠薄時才表現出來，采用力學手段探究其表面電性與納米片厚度的依賴關系，對于可控制備滿足拓撲絕緣要求的Bi2Se3納米材料具有重要指導意義，另外，商業(yè)化應用的宏

2、觀Bi2Se3塊體材料，其力學性能對器件的使用壽命也有重要影響。此外，作為層狀結構的Bi2Se3，其層間隙遠大于鋰離子半徑，對鋰離子具有潛在的存儲能力。基于以上研究背景，本文將從Bi2Se3納米材料的可控制備、力學性能及其與納米片厚度的依賴關系和其對鋰離子的存儲能力等方面進行研究，探究其在微電子器件的應用前景。
　　采用改進的氣相傳輸法，分別以Si片和Bi2Se3薄片為襯底，合成了超大尺寸的單晶Bi2Se3納米片、納米帶、納米線結

3、構，詳細探討了溫度和襯底對其形貌的影響。研究發(fā)現其不同結構形成主要與不同取向結合能差異有關:在較高溫度下(～450℃)傾向于沿結合能較高的<001>和<10(1)0>方向生長，生成Bi2Se3納米片;在較低溫度下(～350℃)傾向于沿結合能較低的<11(2)0>方向生長，生成Bi2Se3納米帶;Bi2Se3薄片作為襯底時，起到催化劑的誘導形核作用，生成大尺寸Bi2Se3納米線。采用多元醇法合成了超薄Bi2Se3納米片和自組裝Bi2Se3

4、納米球，并探討了溫度、時間和表面活性劑對合成的影響規(guī)律。超薄Bi2Se3納米片的最佳合成條件是190℃/11h。利用透射電鏡清晰的觀察到Bi2Se3納米片中(104)面的孿晶界和其標準晶格原子排布。Bi2Se3納米球主要是納米晶在表面活性劑表面團聚吸附自組裝形成的。此外，將自組裝Bi2Se3納米球與氧化石墨烯(GO)進行了復合。
　　利用納米壓痕儀和原子力顯微鏡(AFM)研究了Bi2Se3塊體和Bi2Se3納米片的納米力學性能。首

5、先采用納米壓痕儀測試了塊體上剝離的兩個不同Bi2Se3薄片的納米力學性能，其硬度和彈性模量相對于傳統合金材料均小得多。此外，研究發(fā)現兩個不同薄片的硬度和彈性模量均有較大差異，可能是Bi2Se3塊體中缺陷較多導致。Bi2Se3薄片還表現出明顯的壓痕尺寸效應，主要是剝離產生的表面應力和較大的表面張力引起的。采用AFM研究了不同厚度Bi2Se3的微觀摩擦行為，發(fā)現了Stick-slip現象，是周期性晶格結構引起的。此外，樣品厚度越小，摩擦力越