Bi2Se3基拓扑新材料Ti

bi2se3基拓扑新材料ti
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bi2se3单晶及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及拓扑新材料的单晶生长领域，尤其涉及到bi2se3基拓扑新材料ti
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bi2se3单晶及其制备方法。


背景技术：

2.近年来,人们在凝聚态体系中发现了由拓扑新物态定义的物相,其中最重要的有拓扑绝缘体、拓扑半金属和拓扑超导体等。这些物相的拓扑性质理论上可由非平凡的拓扑数描述，相应的材料被称为拓扑材料，其具有诸多新奇的重要物理特性和重要的科技应用。其中拓扑超导体由于其能带边界上有满足非阿贝尔统计的majorana零能模,被物理学界广泛认为是实现拓扑量子计算的主要候选材料。
3.元素掺杂是在电子电路领域最早使用的物相调控手段之一。在拓扑材料中,通过在bi2se3中元素掺杂诱导出的超导现象是最为著名的物相调控例子之一。拓扑理论指出，bi2se3体态有较大的全局带隙，且实验中看到的bi2se3是电子掺杂的,因而在费米面处有非零的电子态密度。hor等人通过混合cu,bi和se粉末共同熔融后冷却结晶,获得了层间掺杂(cu
x
bi2se3)和替代掺杂(cu
x
bi2–
x
se3)的两种化合物。电子输运实验发现,当层间掺杂浓度合适(0.1≤x≤0.3)时,样品表现出了清晰的超导特性。当x的值在0.12附近时超导最最强，开始转变温度tc达到了3.8k。目前已发现的bi2se3基拓扑新材料有cu
x
bi2se3、nb
x
bi2se3、sr
x
bi2se3、tl
x
bi2se3等,它们都是新型拓扑材料，同时也是新型超导材料，具有非常重要的物理学研究价值和潜在的重要科技应用前景。而bi2se3基拓扑新材料ti
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bi2se3的晶体结构与前者类似，但其单晶生长的方法和其基本物性基本上完全未知，因此其具有非常重要的晶体生长意义和科学研究价值。
4.经过多次实验，我们终于生长出了bi2se3拓扑新材料ti
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bi2se3单晶。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种拓扑新材料ti
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bi2se3的单晶及其制备方法。本方法中，原材料进行的固体化学反应充分，实验操作方便，制备的样品的成品率高、质量优。
6.为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：
7.bi2se3基拓扑新材料ti
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bi2se3单晶的制备方法，包括以下步骤：
8.(1)将ti粉、bi粉、se粉这三种初始固体粉末化合物，在手套箱内通过化学计量方法进行称重，再将这三种化合物按比例在研钵中进行充分的混合，利用压片机进行压片；
9.(2)将经过步骤(1)压片后的样品放入到石英管中进行真空封管，利用泵组对竖直连接的试管进行抽真空；
10.(3)抽完真空后，将封装好样品的试管放在管式炉中进行加热，然后将试管取出，放入冰水中进行淬火；得到所述ti
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bi2se3单晶。
11.进一步的，步骤(1)所述ti粉、bi粉、se粉的混合物中ti、bi、se的原子个数为0.1：2：3。
12.进一步的，步骤(1)所述利用压片机进行压片，压强为4mpa,压成直径为12mm,厚底为2mm的圆片。
13.进一步的，步骤(2)所述抽真空分为两步进行：
14.21)对石英管抽真空到1x10-4
pa，然后利用氢氧焰对远离样品11cm处的石英管壁一边旋转一边加热，使得此处石英管直径缩小到锁颈；
15.22)待石英管冷却后，将其从真空系统中取出，放入石英柱，再连接回真空系统进行二次抽真空，抽到真空度为1x10-5
pa，然后进行氢氧焰加热封管。
16.进一步的，所述氢氧焰温度达1400摄氏度。
17.进一步的，步骤(3)所述封装好样品的试管置于管式炉高温区。
18.进一步的，步骤(3)所述管式炉中进行加热的步骤为
19.31)将封装好的样品放在管式炉高温区经过370min从室温加热到1100℃，在1100℃保持11520min，低温区经过370min从室温加热到1000℃，在1000℃保持11520min；
20.32)之后进行降温，高温区经过2700min降温到650℃，同时低温区经过2700min降温到550℃。
21.根据上述方法制备的bi2se3基拓扑新材料ti
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bi2se3单晶。
22.有益效果
23.(1)本发明利用合适的温度和温度梯度加热进行固体化学反应，并以合适温度进行淬火，从而促成固体化学反应后的样品顺利结晶；
24.(2)保证了原材料成分处于双温区充分燃烧和其进行固体化学反应的时间和温控所需的参数等，以提高ti
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bi2se3的单晶产量。
25.(3)制备的ti
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bi2se3属于拓扑新材料。
26.(4)制备的ti
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bi2se3单晶产量高、质量优。
附图说明
27.图1为用于制备拓扑新材料样品ti
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bi2se3的原材料混合物以及密封后的石英管在双温区燃烧炉中进行固体化学反应所处的位置。
28.图2为ti
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bi2se3样品制备过程中所处的高温区和低温区的相应同时控制流程图。
29.图3(a)生长成的ti
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bi2se3单晶样品照片。(b)生长成的ti
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bi2se3的单晶x-ray射线(xrd)与理论计算的衍射花样对比。
30.图4为生长成的ti
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bi2se3的能量色散x射线荧光光谱(edxrf)元素分析实验测试结果。
31.图5为生长成的ti
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bi2se3的高分辨透射电镜(hrtem)中能量色散x射线(edx)测试结果。(edx中的cu和c元素是由于样品需放在铜网上测得的，铜网上含c膜，所以含cu和c元素)。
32.图6为生长成的ti
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bi2se3的hrtem的电子衍射图。右上角给出的是其单晶xrd的晶体结构数据图。
具体实施方式
33.下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过
参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
34.bi2se3基拓扑新材料ti
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bi2se3单晶的制备方法，包括以下步骤：
35.(1)将ti粉、bi粉、se粉这三种初始固体粉末化合物，在手套箱内通过化学计量方法进行称重，再将这三种化合物按0.07204g，3.14518g，1.78278g在研钵中进行充分的混合，利用压片机进行压片；压强为4mpa,压成直径为12mm,厚底为2mm的圆片。
36.(2)将经过步骤(1)压片后的样品放入到石英管中进行真空封管，利用泵组对竖直连接的试管进行抽真空；抽真空分为两步进行：
37.21)对石英管抽真空到1x10-4
pa，然后利用氢氧焰(温度达1400摄氏度)对远离样品11cm处的石英管壁一边旋转一边加热，使得此处石英管直径缩小到锁颈；
38.22)待石英管冷却后，将其从真空系统中取出，放入石英柱，再连接回真空系统进行二次抽真空，抽到真空度为1x10-5
pa，然后进行氢氧焰加热封管。
39.(3)抽完真空后，将封装好样品的试管放在管式炉中进行加热，然后将试管取出，放入冰水中进行淬火；得到所述ti
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bi2se3单晶。
40.所述管式炉中进行加热的步骤为：
41.31)将封装好的样品放在管式炉高温区经过370min从室温加热到1100℃，在1100℃保持11520min，低温区经过370min从室温加热到1000℃，在1000℃保持11520min；
42.32)之后进行降温，高温区经过2700min降温到650℃，同时低温区经过2700min降温到550℃。
43.图1是混合物在燃烧炉中摆放的位置示意图。
44.图2是样品制备的高、低温度区间设置的温度梯度及温度控制流程图。高温区经过370min从室温加热到1100℃，在1100℃这个温度保持11520min，低温区经过370min从室温加热到1000℃，在1000℃这个温度保持11520min，目的是为了让原材料混合物能够充分的反应，之后进行降温，高温区经过2700min降温到650℃，同时低温区经过2700min降温到550℃。然后将管子取出，放入冰水中进行淬火。
45.图3(a)是生长成的样品通过光学显微镜观察的照片。样品表面呈现的是银色光泽，平滑反光，样品外观符合单晶样品的特征。
46.图3(b)是对样品进行单晶xrd实验的衍射图。单晶xrd测量结果与bi2se3标准卡片的对比一致的。根据参考文献，已发现的bi2se3基拓扑超导材料有cu
x
bi2se3、nb
x
bi2se3、sr
x
bi2se3的单晶xrd数据都与bi2se3标准卡片符合。由此可见，所以我们制备的多晶样品纯度很高。
47.图4为生长成的ti
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bi2se3的能量色散x射线荧光光(edxrf)元素分析实验测试结果。通过计算得出，本样品为ti
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bi2se3。
48.图5为生长成的ti
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bi2se3的高分辨透射电镜(hrtem)中能量色散x射线(edx)测试结果。该实验结果进一步证实了样品的化学成分。
49.图6为hrtem电子衍射实验图。其显示原子规则排列，符合样品作为单晶的结构特征。图6右上角显示的是样品的单晶xrd实验测试得到的晶胞信息：晶格常数征。图6右上角显示的是样品的单晶xrd实验测试得到的晶胞信息：晶格常数α＝90
°
，β＝90
°
，γ＝120
°
。
50.以上结果充分显示，本方法制备得到的样品是高质量的bi2se3基拓扑新材料ti
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bi2se3单晶。