高压下InSe的电学性质和金属化相变研究

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InSe属于Ⅲ-Ⅵ族半导体化合物,由于它在化学键上表现出很强的各向异性,因此具有很好的光电效应,在光电领域具有重要的应用价值,引起人们广泛的研究兴趣。在本论文中,我们特别针对高压这一极端条件下的InSe电输运性质进行了详细的研究。利用基于金刚石对顶砧技术的材料电阻率原位测量方法,重点研究了InSe电阻率随压力的变化关系;通过测量不同压力下InSe电阻率随温度的变化关系,研究了InSe的压致金属化相变;利用原位霍尔效应测量方法,得到了InSe载流子浓度、迁移率和霍尔系数在压力下的变化关系,说明InSe发生了由p型半导体到n型半导体的转换;同时,利用CASTEP模块对InSe的能带结构进行了理论计算。具体研究内容包括:1、利用薄膜沉积和光刻技术在金刚石压砧上集成了用于高压下原位测量InSe电阻率的微电路,获得了InSe电阻率随压力的变化规律和在不同压力下电阻率随温度的变化规律。得到以下结论:(1)在12GPa,当InSe由斜六面体层状结构P1相(InSe-Ⅰ)转变为立方岩盐矿P3相(InSe-Ⅲ)时,其电阻率随压力的变化关系发生明显的改变。(2)InSe在0-5GPa与6-12GPa范围内,其电阻率随温度的升高而减小,表现出半导体特性。(3)在5-6GPa与12GPa之后,InSe电阻率随温度的升高而增加,表明InSe在这些压力范围内具有金属特性。其中,12GPa左右发生的压致金属化相变,是由InSe的压致结构相变引起的。2、利用基于金刚石对顶砧技术的电学原位测量方法,研究了InSe在高压下的霍尔效应,获得了InSe的载流子浓度、迁移率和霍尔系数随压力的变化规律。测量结果表明:(1)在6.6GPa之前,InSe的载流子浓度n和迁移率μ总体都随压力呈线性增长趋势,电阻率ρ呈线性减少趋势;在6.6GPa之后载流子浓度n迅速增大,迁移率μ快速减小。同时,霍尔系数在6.6GPa时由正变负,说明InSe发生了由p型半导体到n型半导体的转换。(2)在9.9GPa处,发现迁移率下降到最低,同时载流子浓度上升到最高,出现不连续变化。InSe在6.9GPa到10GPa这个压力区间内,载流子浓度n增长了3个数量级,迁移率μ下降了2个数量级,电阻率ρ下降了两个多数量级,电阻率的下降是由载流子浓度的升高引起的。3、利用Materials studio软件中的CASTEP模块对样品InSe在高压下的能带结构进行了理论分析,计算结果表明:(1)斜六面体层状结构InSe-Ⅰ相在4GPa时是一个直接带隙半导体,带隙宽度为0.599eV;(2)单斜晶系InSe-Ⅱ相在7GPa时是一个间接带隙半导体,带隙宽度为0.927eV。InSe-Ⅰ相和InSe-Ⅱ相都是半导体结构,并且发生由直接带隙半导体到间接带隙半导体的转变。综上所述:利用金刚石对顶砧装置对样品InSe进行高压原位电阻率测量和高压原位霍尔效应的测量。通过电阻率随压力的变化关系得到样品InSe发生了由常压下的斜六方体层状结构到高压下的立方岩盐矿的结构转变,同时立方岩盐矿相具有金属特性。通过测量样品InSe的载流子浓度、迁移率、霍尔系数随压力的变化规律,得出在6.6GPa样品InSe由p型半导体转变成n型半导体。利用CASTEP模块对样品InSe进行了能带结构的理论计算,得到InSe-Ⅰ相和InSe-Ⅱ相都是半导体结构,并且发生由直接带隙半导体到间接带隙半导体的转变。
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