Sb2Se3相分离实现Bi1.95Sb0.05Se3拓扑绝缘体薄膜电荷补偿与体绝缘性调控研究

本研究通过脉冲激光沉积（PLD）技术制备Sb掺杂Bi2Se3拓扑绝缘体（TI）薄膜，发现相分离的Sb2Se3相可有效实现电荷补偿。随着激光能量密度从3.25 J·cm-2降至1.25 J·cm-2，Sb2Se3相比例增加，载流子密度降低一个数量级，带隙从0.197 eV扩大至0.32 eV。磁导率分析显示α值从0.5升至5，相干指数γ从0.37增至0.92，证实体导电通道被抑制。该研究为调控拓扑绝缘体电子结构提供了新策略。

　　

Highlight

我们通过相分离的Sb₂Se₃相实现了Sb掺杂Bi₂Se₃薄膜的电荷补偿。采用不同激光能量密度（1.25-3.25 J·cm^-2）在Si/SiO₂基底上脉冲激光沉积制备薄膜。GI-XRD证实了Bi_1.95Sb_0.05Se₃的菱方结构及次要Sb₂Se₃相。随着能量密度增加，Sb₂Se₃相比例降低。低能量密度制备的薄膜呈现体绝缘特性，载流子密度降低一个数量级。基于Hikami-Larkin-Nagaoka方程的磁导率分析显示：α值从5降至0.5，相相干指数γ从0.92变为0.37（随能量密度降低），表明体导电通道被抑制。STM-IV研究表明：随着Sb₂Se₃相比例增加，带隙从0.197 eV扩大至0.32 eV。

Introduction

拓扑绝缘体（TI）具有类似传统绝缘体的体相带隙，但在带隙内存在边缘或表面导电态[1]。三维拓扑绝缘体Bi₂Se₃的拓扑表面态（TSS）受时间反演对称性（TRS）保护，具有抗背散射特性。其简单的电子能带结构包含单个狄拉克锥表面态和约0.3 eV的小带隙[2]。具有线性色散的三维拓扑绝缘体表面态的发现，为自旋电子学和量子计算应用开辟了新途径[3]，同时展现出量子反常霍尔效应等量子现象[4]。Bi₂Se₃的层状结构中，五重层（QL）通过范德华力（VdW）弱结合，导致终止QL的硒（Se）原子易逃逸形成硒空位缺陷（V_se），该缺陷作为电子给体使材料呈现n型特性。这些V_se缺陷产生的高浓度n型载流子会掩盖表面态的金属特性。

合金化是降低材料体相电子贡献的有效手段。例如在Bi₂Se₃中掺杂Te（Bi₂Te₃同为TI）可产生体绝缘效应[5,6]。同构材料Bi₂Te₃可制备为p型，而Bi₂Se₃因Se空位通常呈n型，因此Te在Se位点的替代有助于电荷补偿。此外，Bi₂SeTe₂三元化合物中晶体原子排列的改变减少了Se逃逸[5]，从而降低了过剩载流子。类似地，Bi位点掺杂Sb也可降低载流子密度[7]。由Bi、Se、Sb、Te组成的四元TI被证实具有更优的TI特性和体绝缘性质[5]。Bi₂Se₃中掺杂In（(Bi_1-xIn_x)₂Se₃）通过引入受主态降低载流子密度，使费米能级朝向本征状态移动，并改变缺陷辅助的电荷补偿机制[8]。

Bi位点替代Sb的研究有助于探索自旋轨道耦合（SOC）强度的作用：具有强SOC（1.25 eV）的Bi被SOC较弱（0.40 eV）的Sb替代[9]。这种替代不仅能减少体相缺陷，还可影响输运测量中拓扑表面态的签名，如Shubnikov-de Haas（SdH）振荡。重要之处在于终端化合物的拓扑和结构特性截然不同：Bi₂Se₃是具有菱方结构的拓扑绝缘体，而Sb₂Se₃是正交结构的普通绝缘体。因此在Bi_2-xSb_xSe₃相图中，预期存在结构和拓扑相变。

先前对Bi_2-xSb_xSe₃单晶的研究深入揭示了Sb替代效应。早期研究报道了x=0, 0.05, 0.1, 0.3, 0.5样品的结构和磁输运特性[10]。另一研究采用布里奇曼法生长Sb浓度达~0.52的晶体，发现Sb替代强烈影响电子特性：微量Sb（x≈0–0.02）增加自由电子浓度，而更高浓度Sb通过改变晶格缺陷降低载流子浓度。量子振荡和回旋共振测量证实存在两个有效质量不同的导带。

TI薄膜通过提高表面/体相比增强表面态电导贡献，且薄膜形态研究对器件适用的大规模制备至关重要。取向Bi₂Se₃薄膜生长已开发多种技术：分子束外延（MBE）[[11], [12], [13], [14]]、磁控溅射[15,16]和脉冲激光沉积（PLD）[[17], [18], [19], [20]]。采用分子束外延[21,22]成功生长单相Bi_2-xSb_xSe₃薄膜（x达0.75），并通过ARPES研究发现：x≤0.3时狄拉克点向费米能级靠近，更高Sb含量导致谱图清晰度下降并在x≈0.75时消失。Abhirami等研究了固定激光能量密度3.25 J·cm^-2下不同温度压力制备的PLD薄膜特性[23]。本研究重点探讨激光能量密度对PLD制备Bi_1.95Sb_0.05Se₃薄膜结构、电子和磁输运特性的影响。

Experimental Details

采用高纯Bi、Sb、Se按化计量比熔融，通过850°C至550°C缓冷（速率2°C/h，历时150小时）生长Bi_2-xSb_xSe₃（x=0, 0.05, 0.1, 0.3, 0.5）单晶，随后550°C退火24小时并快速冷却。相鉴定采用Indus-II的BL-12光束线进行室温粉末X射线衍射（XRD），单晶劳埃衍射使用实验室光源。

Result and Discussion

图1显示不同激光能量密度（1.25, 1.87, 2.75, 3.25 J·cm^-2）沉积的锑掺杂硒化铋（Bi_1.95Sb_0.05Se₃）薄膜的掠入射X射线衍射（GI-XRD）分析。所有衍射峰均对应ICDD编号00-033-0214的Bi₂Se₃菱方结构。此外在64.2°–64.4°高角度观察到附加峰（图1），该峰对应...

Conclusion

采用脉冲激光沉积（PLD）系统在不同激光能量下生长Bi_1.95Sb_0.05Se₃薄膜。发现随着激光能量密度变化，结构、电子和磁输运特性呈现系统性演变。XRD和拉曼分析显示样品中存在额外的Sb₂Se₃相，其相比例在低能量密度样品中较高，并随能量密度增加系统性降低。该p型相在...