Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管：制備工藝與自旋特性的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體器件作為現(xiàn)代電子設(shè)備的核心部件，其性能的提升對(duì)于推動(dòng)整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步至關(guān)重要。自20世紀(jì)中葉以來(lái)，基于硅材料的半導(dǎo)體器件遵循著摩爾定律不斷發(fā)展，晶體管尺寸持續(xù)縮小，集成度不斷提高，推動(dòng)了計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)電子等領(lǐng)域的巨大變革。然而，隨著晶體管尺寸逐漸逼近物理極限，硅基半導(dǎo)體器件面臨著諸多挑戰(zhàn)，如短溝道效應(yīng)導(dǎo)致的漏電增加、功耗上升以及性能提升瓶頸等問(wèn)題，使得傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體技術(shù)難以滿足未來(lái)信息技術(shù)對(duì)高性能、低功耗器件的需求，半導(dǎo)體行業(yè)正逐步邁入后摩爾時(shí)代。在這一背景下，尋找新型半導(dǎo)體材料以突破硅基材料的限制，成為了半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和關(guān)鍵任務(wù)。二維材料由于其獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)和電子特性，展現(xiàn)出許多優(yōu)異的物理性質(zhì)，為后摩爾時(shí)代半導(dǎo)體器件的發(fā)展提供了新的機(jī)遇。二維材料具有原子級(jí)厚度，表面無(wú)懸掛鍵，這使得它們?cè)陔娮虞斶\(yùn)、光學(xué)、力學(xué)等方面表現(xiàn)出與傳統(tǒng)體相材料截然不同的特性。例如，石墨烯作為最早被發(fā)現(xiàn)的二維材料，具有極高的電子遷移率，理論上可達(dá)200,000cm2?V?1?s?1，其電子在晶格中能夠幾乎無(wú)散射地傳輸，這為實(shí)現(xiàn)高速電子器件提供了可能。然而，石墨烯零帶隙的特性限制了其在數(shù)字邏輯電路中的應(yīng)用。此后，研究人員陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一系列具有固有帶隙的二維材料，如過(guò)渡金屬硫族化合物（TMDs）、黑磷等，它們?cè)诒３侄S材料高載流子遷移率的同時(shí)，具備了一定的帶隙，使得這些材料在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。Bi?O?Se作為一種新興的二維層狀半導(dǎo)體材料，近年來(lái)受到了廣泛的關(guān)注。Bi?O?Se具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，其[Bi?O?]2???陽(yáng)離子層和[Se]2???陰離子層通過(guò)弱靜電相互作用沿c軸交替堆疊，形成了類似“拉鏈”的結(jié)構(gòu)。這種特殊的結(jié)構(gòu)賦予了Bi?O?Se許多優(yōu)異的性質(zhì)，使其在半導(dǎo)體器件應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大的潛力。在電子遷移率方面，Bi?O?Se表現(xiàn)出色，實(shí)驗(yàn)測(cè)量顯示，在1.9K下，其電子遷移率約為28900cm2?V?1?S?1，室溫下最大為450cm2?V?1?S?1，較高的電子遷移率使得電子在Bi?O?Se中能夠快速傳輸，有利于提高器件的運(yùn)行速度。同時(shí)，Bi?O?Se具有中等且可調(diào)諧的帶隙，其體單晶表現(xiàn)出0.85eV的間接帶隙，通過(guò)量子限制效應(yīng)或施加應(yīng)變等方式，其帶隙可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，這為其在不同類型的半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用提供了靈活性。此外，與許多二維材料相比，Bi?O?Se具有良好的環(huán)境穩(wěn)定性，即使在空氣中暴露數(shù)月，其晶體的表面形態(tài)和粗糙度幾乎保持不變，基于Bi?O?Se的器件也能表現(xiàn)出穩(wěn)定的光響應(yīng)性能，這一特性使得Bi?O?Se在實(shí)際應(yīng)用中具有更高的可靠性和穩(wěn)定性。場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）作為現(xiàn)代集成電路的基本構(gòu)建單元，其性能直接影響著整個(gè)電路的性能?；贐i?O?Se的場(chǎng)效應(yīng)晶體管有望充分利用Bi?O?Se的優(yōu)異特性，實(shí)現(xiàn)高性能、低功耗的器件性能。高電子遷移率可使Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有更快的開關(guān)速度，降低信號(hào)傳輸延遲，從而提高集成電路的運(yùn)行頻率和處理能力；合適的帶隙則有助于實(shí)現(xiàn)良好的開關(guān)特性，降低漏電流，提高器件的能效。此外，Bi?O?Se的環(huán)境穩(wěn)定性也為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障，減少了因環(huán)境因素導(dǎo)致的器件性能退化問(wèn)題。自旋電子學(xué)是一門新興的學(xué)科，它利用電子的自旋特性來(lái)進(jìn)行信息的存儲(chǔ)、處理和傳輸，為半導(dǎo)體器件的發(fā)展開辟了新的方向。與傳統(tǒng)的基于電子電荷的半導(dǎo)體器件相比，自旋電子器件具有數(shù)據(jù)處理速度快、能耗低、集成度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)。在自旋電子學(xué)領(lǐng)域，Bi?O?Se的自旋相關(guān)性質(zhì)研究具有重要意義。研究Bi?O?Se的自旋相關(guān)性質(zhì)，如自旋極化、自旋弛豫、自旋軌道耦合等，有助于深入理解其內(nèi)部的電子自旋輸運(yùn)機(jī)制，為開發(fā)基于Bi?O?Se的新型自旋電子器件提供理論基礎(chǔ)。通過(guò)調(diào)控Bi?O?Se的自旋性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)自旋極化電流的高效注入、傳輸和檢測(cè)，有望開發(fā)出如自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管、自旋邏輯器件、自旋存儲(chǔ)器件等新型自旋電子器件，這些器件在未來(lái)的高速、低功耗集成電路以及量子信息處理等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。綜上所述，研究Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備及自旋相關(guān)性質(zhì)，對(duì)于解決后摩爾時(shí)代半導(dǎo)體器件面臨的挑戰(zhàn)，推動(dòng)半導(dǎo)體器件向高性能、低功耗、多功能方向發(fā)展具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)深入研究Bi?O?Se材料的特性、優(yōu)化場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備工藝以及探索其自旋相關(guān)性質(zhì)的應(yīng)用，有望為新一代半導(dǎo)體器件的研發(fā)提供新的思路和方法，促進(jìn)信息產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。1.2Bi?O?Se材料概述Bi?O?Se是一種具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能的二維層狀半導(dǎo)體材料。其晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出四方結(jié)構(gòu)，空間群對(duì)稱性為14/mmm，晶格常數(shù)a＝b＝3.88?，ｃ＝12.16?。在Bi?O?Se的晶體結(jié)構(gòu)中，[Bi?O?]2???陽(yáng)離子層和[Se]2???陰離子層通過(guò)弱靜電相互作用沿ｃ軸交替堆疊，形成了類似“拉鏈”的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，層厚約為0.61nm。這種特殊的層狀結(jié)構(gòu)賦予了Bi?O?Se諸多優(yōu)異的物理性質(zhì)，使其在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。從電子結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，Bi?O?Se具有中等且可調(diào)諧的帶隙，這一特性對(duì)于半導(dǎo)體器件的性能至關(guān)重要。通過(guò)角分辨光電子能譜（ARPES）測(cè)量可知，Bi?O?Se的導(dǎo)帶和價(jià)帶之間存在一個(gè)間接帶隙，數(shù)值約為0.8±0.05eV。第一性原理計(jì)算進(jìn)一步表明，Bi?O?Se體單晶的間接帶隙為0.85eV，其導(dǎo)帶底由O原子的2ｐ軌道和Bi原子的6ｐ軌道共同貢獻(xiàn)，而價(jià)帶頂則主要來(lái)源于O原子的2ｐ軌道和Se原子的ｐ軌道。這種電子結(jié)構(gòu)特征使得Bi?O?Se在電學(xué)性能方面表現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì)，為其在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。高電子遷移率是Bi?O?Se的另一顯著優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量顯示，在低溫1.9K下，Bi?O?Se的電子遷移率約為28900cm2?V?1?S?1，室溫下最大可達(dá)450cm2?V?1?S?1。較高的電子遷移率意味著電子在Bi?O?Se材料中能夠快速傳輸，這對(duì)于提高半導(dǎo)體器件的運(yùn)行速度和降低功耗具有重要意義。在半導(dǎo)體器件中，電子遷移率的高低直接影響著器件的開關(guān)速度和信號(hào)傳輸效率，Bi?O?Se的高電子遷移率使其在高速電子器件的應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。Bi?O?Se還具有良好的環(huán)境穩(wěn)定性，這是其區(qū)別于許多其他二維材料的重要特性之一。即使在空氣中暴露數(shù)月，Bi?O?Se晶體的表面形態(tài)和粗糙度幾乎保持不變，基于Bi?O?Se的器件也能表現(xiàn)出穩(wěn)定的光響應(yīng)性能。研究表明，Bi?O?Se的環(huán)境穩(wěn)定性源于其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，其層間作用力大于MoS?、BP等常見二維材料的范德瓦爾斯力，使得Bi?O?Se在實(shí)際應(yīng)用中具有更高的可靠性和穩(wěn)定性，減少了因環(huán)境因素導(dǎo)致的器件性能退化問(wèn)題。適中的能隙和強(qiáng)自旋軌道耦合也是Bi?O?Se的重要特性。適中的能隙使得Bi?O?Se在保持良好電學(xué)性能的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)有效的載流子調(diào)控，滿足不同半導(dǎo)體器件對(duì)能隙的要求。而強(qiáng)自旋軌道耦合則為Bi?O?Se在自旋電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能，通過(guò)自旋軌道耦合作用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電子自旋的有效操控，為開發(fā)新型自旋電子器件奠定了基礎(chǔ)。1.3研究目的與內(nèi)容本研究旨在深入探索Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備工藝，系統(tǒng)研究其自旋相關(guān)性質(zhì)，為開發(fā)基于Bi?O?Se的高性能半導(dǎo)體器件和新型自旋電子器件提供理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。具體研究?jī)?nèi)容如下：Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備：通過(guò)對(duì)化學(xué)氣相沉積（CVD）法、濕化學(xué)工藝法、分子束外延法（MBE）和脈沖激光沉積法（PLD）等常見制備方法的原理、工藝參數(shù)和生長(zhǎng)機(jī)制進(jìn)行深入研究，分析各方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及對(duì)Bi?O?Se晶體質(zhì)量、尺寸、厚度和結(jié)晶度的影響。在此基礎(chǔ)上，選擇合適的制備方法，并對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化，以獲得高質(zhì)量的Bi?O?Se薄膜或納米片，為后續(xù)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備提供優(yōu)質(zhì)的材料基礎(chǔ)。研究不同襯底材料對(duì)Bi?O?Se生長(zhǎng)的影響，包括晶格匹配度、表面能、化學(xué)穩(wěn)定性等因素，探索最佳的襯底選擇，以提高Bi?O?Se與襯底之間的結(jié)合力和晶體生長(zhǎng)質(zhì)量，減少界面缺陷，提升器件性能。確定源極、漏極和柵極的材料選擇和制備方法，研究電極與Bi?O?Se之間的接觸特性，包括接觸電阻、肖特基勢(shì)壘等，通過(guò)優(yōu)化電極制備工藝和界面處理方法，降低接觸電阻，提高載流子的注入和收集效率，改善場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電學(xué)性能。Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性能表征：使用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀等設(shè)備，測(cè)量場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電學(xué)特性，如轉(zhuǎn)移特性曲線（Ids-Vgs）、輸出特性曲線（Ids-Vds）等，通過(guò)分析這些曲線，獲取閾值電壓、載流子遷移率、亞閾值擺幅等關(guān)鍵電學(xué)參數(shù)，評(píng)估器件的性能優(yōu)劣。利用霍爾效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)量Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管的霍爾系數(shù)和載流子濃度，研究載流子濃度與電學(xué)性能之間的關(guān)系，深入了解器件內(nèi)部的載流子輸運(yùn)機(jī)制。搭建光電器件測(cè)試平臺(tái)，研究Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管在光照條件下的光電性能，包括光響應(yīng)度、光電流、響應(yīng)時(shí)間等參數(shù)，分析光生載流子的產(chǎn)生、傳輸和復(fù)合過(guò)程，探索其在光電探測(cè)、光開關(guān)等光電器件領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。Bi?O?Se的自旋相關(guān)性質(zhì)研究：利用自旋極化掃描隧道顯微鏡（SP-STM）、角分辨光電子能譜（ARPES）等先進(jìn)技術(shù)，測(cè)量Bi?O?Se的自旋極化率和自旋相關(guān)的電子結(jié)構(gòu)，研究自旋極化與晶體結(jié)構(gòu)、電子能帶結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系，揭示其自旋極化的物理起源。通過(guò)時(shí)間分辨Kerr效應(yīng)（TRKR）、電探測(cè)磁共振（EDMR）等實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)量Bi?O?Se中電子的自旋弛豫時(shí)間，研究自旋弛豫的機(jī)制，包括自旋-軌道相互作用、電子-聲子相互作用、雜質(zhì)散射等因素對(duì)自旋弛豫的影響，探索延長(zhǎng)自旋弛豫時(shí)間的方法和途徑。理論計(jì)算與模擬也是本研究的重要內(nèi)容，運(yùn)用第一性原理計(jì)算方法，如密度泛函理論（DFT），計(jì)算Bi?O?Se的電子結(jié)構(gòu)、自旋軌道耦合強(qiáng)度等性質(zhì)，從理論層面深入理解其自旋相關(guān)性質(zhì)。建立自旋輸運(yùn)模型，結(jié)合蒙特卡羅模擬等方法，模擬電子在Bi?O?Se中的自旋輸運(yùn)過(guò)程，分析自旋相關(guān)性質(zhì)對(duì)自旋輸運(yùn)的影響，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)和預(yù)測(cè)。自旋相關(guān)性質(zhì)對(duì)Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能的影響研究：在制備的Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管基礎(chǔ)上，研究自旋相關(guān)性質(zhì)對(duì)器件電學(xué)性能的影響，如自旋極化如何影響載流子的遷移率和電導(dǎo)率，自旋弛豫時(shí)間對(duì)器件開關(guān)速度和穩(wěn)定性的影響等，探索通過(guò)調(diào)控自旋相關(guān)性質(zhì)來(lái)優(yōu)化器件電學(xué)性能的方法。探討B(tài)i?O?Se的自旋相關(guān)性質(zhì)在自旋電子器件應(yīng)用中的潛力，如設(shè)計(jì)基于Bi?O?Se的自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管、自旋邏輯器件等，研究這些器件的工作原理和性能特點(diǎn)，為新型自旋電子器件的開發(fā)提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。探索外場(chǎng)（如磁場(chǎng)、電場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等）對(duì)Bi?O?Se自旋相關(guān)性質(zhì)的調(diào)控作用，研究外場(chǎng)作用下Bi?O?Se的自旋極化、自旋弛豫等性質(zhì)的變化規(guī)律，通過(guò)施加外場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋相關(guān)性質(zhì)的有效調(diào)控，拓展Bi?O?Se在自旋電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。二、Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備方法2.1化學(xué)氣相沉積法（CVD）化學(xué)氣相沉積法（CVD）是一種在半導(dǎo)體工業(yè)中廣泛應(yīng)用的薄膜制備技術(shù)，其基本原理是利用氣態(tài)的先驅(qū)反應(yīng)物，通過(guò)原子、分子間的化學(xué)反應(yīng)，使得氣態(tài)前驅(qū)體中的某些成分分解，進(jìn)而在基體上形成薄膜。在Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備中，CVD法被用于生長(zhǎng)高質(zhì)量的Bi?O?Se納米線和薄膜，為器件的性能提供了關(guān)鍵的材料基礎(chǔ)。在使用CVD法生長(zhǎng)Bi?O?Se時(shí)，通常以Bi?O?和Se粉作為源材料。在高溫條件下，源材料會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氣態(tài)的Bi和Se物種。這些氣態(tài)物種在載氣（如氬氣等惰性氣體）的攜帶下，被傳輸?shù)揭r底表面。在襯底表面，氣態(tài)的Bi和Se物種會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成Bi?O?Se并沉積在襯底上，逐漸生長(zhǎng)形成Bi?O?Se納米線或薄膜。這一過(guò)程涉及到復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和質(zhì)量傳輸過(guò)程，溫度、氣體流量、源材料的比例等因素都會(huì)對(duì)生長(zhǎng)過(guò)程產(chǎn)生顯著影響。以生長(zhǎng)Bi?O?Se納米線為例，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將云母襯底放置在特定的位置，該位置的溫度分布對(duì)納米線的生長(zhǎng)起著關(guān)鍵作用。研究發(fā)現(xiàn)，云母襯底距離源11cm處是生長(zhǎng)Bi?O?Se納米線的理想位置。在這個(gè)位置，氣態(tài)的Bi和Se物種能夠以合適的濃度和反應(yīng)速率在云母襯底表面發(fā)生反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的Bi?O?Se納米線的生長(zhǎng)。在這個(gè)位置生長(zhǎng)的Bi?O?Se納米線，其寬度在100-300nm之間，長(zhǎng)度可達(dá)10-20μm。云母襯底的放置方向也會(huì)對(duì)Bi?O?Se納米線的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響。當(dāng)云母襯底的[110]方向與載氣傳輸方向垂直時(shí)，有利于Bi?O?Se納米線沿云母襯底的[110]方向生長(zhǎng)。這是因?yàn)樵颇敢r底的晶體結(jié)構(gòu)和表面原子排列在不同方向上存在差異，當(dāng)納米線的生長(zhǎng)方向與襯底的特定晶向相匹配時(shí)，能夠降低生長(zhǎng)的能量壁壘，促進(jìn)納米線的定向生長(zhǎng)。利用CVD法制備的Bi?O?Se納米線，可進(jìn)一步用于制備場(chǎng)效應(yīng)晶體管。在制備過(guò)程中，通常采用電子束光刻技術(shù)定義源極、漏極和柵極的位置，然后通過(guò)電子束蒸發(fā)等方法在相應(yīng)位置沉積金屬電極，如金（Au）、鈦（Ti）等，從而完成場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備。這種基于CVD法制備的Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管，展現(xiàn)出了良好的電學(xué)性能。研究表明，該器件的電子遷移率可達(dá)100-200cm2?V?1?S?1，開關(guān)比可達(dá)10?-10?，這些性能參數(shù)表明，CVD法制備的Bi?O?Se在高性能場(chǎng)效應(yīng)晶體管的應(yīng)用中具有巨大的潛力。2.2分子束外延法（MBE）分子束外延法（MBE）是一種在超高真空條件下進(jìn)行薄膜生長(zhǎng)的技術(shù)，其基本原理是將組成薄膜的各元素在各自的分子束爐中加熱成定向分子束，然后入射到加熱的襯底上進(jìn)行薄膜生長(zhǎng)。在MBE系統(tǒng)中，每一臺(tái)分子束爐的爐口都裝有一個(gè)能快速開閉的快門，通過(guò)控制快門的開閉，可以精確地控制分子束的發(fā)射時(shí)間和強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜生長(zhǎng)過(guò)程的精確控制。MBE技術(shù)具有諸多顯著的優(yōu)勢(shì)。首先，它的生長(zhǎng)速度較慢且可控，這使得原子能夠在襯底表面逐層有序地生長(zhǎng)，從而可以精確地控制薄膜的厚度，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)原子級(jí)別的精確控制，制備出厚度僅為幾個(gè)原子層的超薄外延層。其次，MBE生長(zhǎng)過(guò)程中襯底溫度較低，這有利于減少雜質(zhì)的擴(kuò)散和引入，提高外延層的純度和完整性，降低薄膜中的缺陷密度，從而提高薄膜的質(zhì)量。此外，MBE技術(shù)還能夠?qū)崿F(xiàn)表面及界面的平整生長(zhǎng)，這對(duì)于制備高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和器件至關(guān)重要，能夠有效減少界面處的晶格失配和應(yīng)力，提高器件的性能和穩(wěn)定性。同時(shí)，該技術(shù)可以快速改變所生長(zhǎng)材料的成分及摻雜種類，通過(guò)精確控制分子束的流量和種類，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜成分和摻雜的精確調(diào)控，為制備具有特定性能的材料提供了可能。在Bi?O?Se薄膜的制備中，MBE技術(shù)展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。以跨臺(tái)階外延生長(zhǎng)為例，在SiC襯底上，通過(guò)MBE技術(shù)實(shí)現(xiàn)了晶圓級(jí)高品質(zhì)二維Bi?O?Se單晶薄膜的制備。研究表明，在生長(zhǎng)過(guò)程中，Bi?O?Se能夠沿著SiC襯底的臺(tái)階進(jìn)行外延生長(zhǎng)，形成連續(xù)、均勻的薄膜。通過(guò)反射式高能電子衍射（RHEED）原位監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中，RHEED圖案始終保持清晰的條紋狀，這表明Bi?O?Se薄膜在生長(zhǎng)過(guò)程中保持了良好的單晶性和表面平整度。利用原子力顯微鏡（AFM）對(duì)生長(zhǎng)后的Bi?O?Se薄膜表面進(jìn)行表征，結(jié)果顯示薄膜表面的均方根粗糙度（RMS）僅為0.23nm，這進(jìn)一步證明了MBE技術(shù)能夠制備出高質(zhì)量、表面平整的Bi?O?Se薄膜。這種高質(zhì)量的Bi?O?Se薄膜在半導(dǎo)體器件應(yīng)用中具有重要意義，為制備高性能的Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管提供了優(yōu)質(zhì)的材料基礎(chǔ)，有望顯著提升器件的性能和可靠性。2.3全磁控濺射法全磁控濺射法是一種制備Bi?O?Se薄膜晶體管的重要方法，該方法通過(guò)在高真空環(huán)境下，利用磁場(chǎng)約束和電場(chǎng)加速的電子與氬氣等惰性氣體分子碰撞產(chǎn)生等離子體，等離子體中的氬離子在電場(chǎng)作用下高速轟擊Bi?O?Se靶材，使靶材表面的原子或分子濺射出來(lái)，并在襯底表面沉積形成Bi?O?Se薄膜。與其他制備方法相比，全磁控濺射法具有諸多優(yōu)勢(shì)，它能夠?qū)崿F(xiàn)大面積均勻薄膜的制備，且薄膜的生長(zhǎng)速率和質(zhì)量可控性較好，有利于大規(guī)模生產(chǎn)和器件性能的一致性。在利用全磁控濺射法制備Bi?O?Se薄膜晶體管時(shí)，首先需要對(duì)襯底進(jìn)行嚴(yán)格的清洗處理，以去除表面的雜質(zhì)和污染物，保證薄膜與襯底之間的良好結(jié)合。通常選用藍(lán)寶石襯底，其具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能，能夠?yàn)锽i?O?Se薄膜的生長(zhǎng)提供穩(wěn)定的支撐。清洗后的襯底放入磁控濺射設(shè)備中，以純度為99.9%、厚度為3mm、直徑為50.8mm的Bi?O?Se靶材作為濺射源，在濺射過(guò)程中，保持真空度高于5×10??Pa，利用電阻絲加熱裝置將濺射腔的溫度加熱至450-600℃，以純度為99.995%的Ar作為保護(hù)氣體，氣壓控制在0.4Pa，射頻功率調(diào)至20瓦，載片臺(tái)轉(zhuǎn)速調(diào)至20轉(zhuǎn)每分鐘，通過(guò)精確控制這些工藝參數(shù)，在襯底上沉積出厚度為4-10nm的Bi?O?Se薄膜。沉積完成后，使用紫外光刻技術(shù)在Bi?O?Se薄膜上定義溝道圖案，然后通過(guò)Ar離子刻蝕或反應(yīng)離子刻蝕去除多余的薄膜，從而形成Bi?O?Se溝道陣列。接著，采用磁控濺射技術(shù)在Bi?O?Se溝道陣列上沉積Ni薄膜作為源電極和漏電極，Ni薄膜厚度為10-100nm，磁控濺射溫度為室溫。之后，再次利用磁控濺射技術(shù)制備HfO?薄膜作為柵介電層，HfO?薄膜厚度為15-60nm，磁控濺射溫度同樣為室溫。最后，采用磁控濺射技術(shù)在柵介電層上沉積Ni薄膜作為柵電極。通過(guò)全磁控濺射法制備的Bi?O?Se薄膜晶體管，在薄膜匹配性、閾值電壓和電流開關(guān)比等性能方面表現(xiàn)優(yōu)異。由于整個(gè)制備過(guò)程均采用磁控濺射技術(shù)，使得各薄膜層之間具有良好的適配性，這是該方法的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)。在閾值電壓方面，所制備的晶體管表現(xiàn)出正的閾值電壓，這對(duì)于器件的正常工作和性能優(yōu)化具有重要意義。在電流開關(guān)比方面，該方法制備的晶體管展現(xiàn)出較高的數(shù)值，表明其能夠?qū)崿F(xiàn)良好的開關(guān)特性，在數(shù)字電路和邏輯器件等應(yīng)用中具有潛在的優(yōu)勢(shì)。此外，全磁控濺射法還能夠?qū)崿F(xiàn)大面積薄膜的制備，有利于提高生產(chǎn)效率和降低成本，為Bi?O?Se薄膜晶體管的工業(yè)化生產(chǎn)提供了一種可行的途徑。2.4制備方法對(duì)比與選擇在制備Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管時(shí)，化學(xué)氣相沉積法（CVD）、分子束外延法（MBE）和全磁控濺射法是常用的三種方法，它們?cè)谥苽涔に噺?fù)雜程度、成本、制備材料的質(zhì)量和性能等方面存在顯著差異。從制備工藝復(fù)雜程度來(lái)看，分子束外延法（MBE）最為復(fù)雜。MBE需要在超高真空環(huán)境下進(jìn)行，設(shè)備昂貴且維護(hù)成本高，其生長(zhǎng)過(guò)程需要精確控制分子束的發(fā)射和襯底的溫度等參數(shù)，對(duì)操作人員的技術(shù)水平要求極高。化學(xué)氣相沉積法（CVD）的工藝復(fù)雜程度次之，雖然它也需要對(duì)反應(yīng)溫度、氣體流量等參數(shù)進(jìn)行精確控制，但相比MBE，其設(shè)備成本和操作難度相對(duì)較低。全磁控濺射法的工藝相對(duì)較為簡(jiǎn)單，主要通過(guò)控制濺射功率、氣體壓強(qiáng)等參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)薄膜的制備，設(shè)備操作相對(duì)容易，適合大規(guī)模生產(chǎn)。成本方面，MBE由于設(shè)備昂貴、運(yùn)行成本高以及生長(zhǎng)速度慢，導(dǎo)致其制備成本高昂，通常用于制備高質(zhì)量、小尺寸的樣品或?qū)Σ牧腺|(zhì)量要求極高的特殊應(yīng)用場(chǎng)景。CVD法的設(shè)備成本和運(yùn)行成本相對(duì)較低，生長(zhǎng)速度較快，能夠?qū)崿F(xiàn)較大面積的薄膜生長(zhǎng)，適合中等規(guī)模的生產(chǎn)和研究。全磁控濺射法在設(shè)備成本和運(yùn)行成本上也相對(duì)較低，且能夠?qū)崿F(xiàn)大面積均勻薄膜的制備，有利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，在成本控制方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。在制備材料的質(zhì)量和性能方面，MBE具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。它能夠?qū)崿F(xiàn)原子級(jí)別的精確控制，制備出的Bi?O?Se薄膜具有極高的質(zhì)量，晶體結(jié)構(gòu)完整，缺陷密度低，表面平整度高。這種高質(zhì)量的薄膜在對(duì)材料性能要求極高的應(yīng)用中，如高速電子器件、量子器件等，能夠展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。CVD法制備的Bi?O?Se材料在質(zhì)量和性能上也較為出色，能夠生長(zhǎng)出高質(zhì)量的納米線和薄膜，具有較高的電子遷移率和良好的電學(xué)性能。然而，與MBE相比，CVD法制備的薄膜在晶體完整性和表面平整度上可能存在一定差距。全磁控濺射法制備的Bi?O?Se薄膜在質(zhì)量和性能上也能滿足一定的應(yīng)用需求，特別是在薄膜匹配性、閾值電壓和電流開關(guān)比等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。但由于濺射過(guò)程中的高能粒子轟擊可能會(huì)引入一些缺陷，其薄膜的質(zhì)量在某些方面可能不如MBE和CVD法制備的薄膜。在選擇制備方法時(shí)，需要綜合考慮研究目的和應(yīng)用需求。如果研究目的是探索Bi?O?Se的本征物理性質(zhì)，追求最高質(zhì)量的材料，或者應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)材料的質(zhì)量和性能要求極高，如制備高性能的量子器件或用于基礎(chǔ)研究的樣品，那么分子束外延法（MBE）是最佳選擇。雖然其成本高、工藝復(fù)雜，但能夠提供原子級(jí)精確控制的高質(zhì)量薄膜，滿足對(duì)材料性能極致追求的需求。如果研究目的是開發(fā)基于Bi?O?Se的新型半導(dǎo)體器件，需要在保證一定材料質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)較大面積的薄膜生長(zhǎng)和中等規(guī)模的生產(chǎn)，化學(xué)氣相沉積法（CVD）則更為合適。CVD法能夠在相對(duì)較低的成本下，生長(zhǎng)出高質(zhì)量的納米線和薄膜，滿足器件研發(fā)和中等規(guī)模生產(chǎn)的需求。對(duì)于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管，追求低成本、高效率和大面積均勻薄膜制備的應(yīng)用場(chǎng)景，全磁控濺射法是首選。其工藝簡(jiǎn)單、成本低、適合大面積制備的特點(diǎn)，能夠滿足工業(yè)化生產(chǎn)對(duì)成本和產(chǎn)量的要求，同時(shí)制備出的薄膜在性能上也能滿足許多實(shí)際應(yīng)用的需求。三、Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)與性能表征3.1晶體管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與構(gòu)建Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)其性能有著至關(guān)重要的影響，常見的結(jié)構(gòu)主要有頂柵結(jié)構(gòu)和底柵結(jié)構(gòu)。在頂柵結(jié)構(gòu)中，柵極位于Bi?O?Se溝道層的上方，通過(guò)柵極施加電壓來(lái)調(diào)控溝道內(nèi)的載流子濃度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)源漏電流的控制。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于柵極與溝道的距離較近，能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的電場(chǎng)，對(duì)溝道載流子的調(diào)控作用更為顯著，有利于提高器件的開關(guān)速度和跨導(dǎo)性能。例如，北京大學(xué)彭海琳課題組利用分子束外延法制備的Bi?O?Se薄膜，并采用頂柵結(jié)構(gòu)構(gòu)建場(chǎng)效應(yīng)晶體管，通過(guò)精確控制柵極電壓，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溝道載流子濃度的有效調(diào)控，使得器件的室溫遷移率高達(dá)427cm2/Vs，展現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)性能。然而，頂柵結(jié)構(gòu)也存在一些不足之處，由于柵極位于上方，在制備過(guò)程中可能會(huì)對(duì)已形成的Bi?O?Se溝道層造成一定的損傷，影響材料的晶體質(zhì)量和器件的穩(wěn)定性。而且頂柵結(jié)構(gòu)在集成工藝中，可能會(huì)面臨與其他器件的兼容性問(wèn)題，增加了制備工藝的復(fù)雜性。底柵結(jié)構(gòu)則是柵極位于Bi?O?Se溝道層的下方，通過(guò)襯底和柵極之間的電場(chǎng)來(lái)影響溝道的電學(xué)性質(zhì)。底柵結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)Bi?O?Se溝道層的損傷較小，能夠較好地保持材料的原始特性。同時(shí)，底柵結(jié)構(gòu)在與其他器件的集成方面具有較好的兼容性，便于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成電路的制備。例如，在一些研究中，采用化學(xué)氣相沉積法在特定襯底上生長(zhǎng)Bi?O?Se納米線，然后利用底柵結(jié)構(gòu)制備場(chǎng)效應(yīng)晶體管，器件表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。但是，底柵結(jié)構(gòu)中柵極與溝道之間的距離相對(duì)較大，電場(chǎng)對(duì)溝道載流子的調(diào)控作用相對(duì)較弱，導(dǎo)致器件的開關(guān)速度和跨導(dǎo)性能可能不如頂柵結(jié)構(gòu)。除了頂柵和底柵結(jié)構(gòu)外，還有一些其他的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也在研究中被提出和應(yīng)用。例如，雙柵結(jié)構(gòu)結(jié)合了頂柵和底柵的特點(diǎn)，通過(guò)上下兩個(gè)柵極共同對(duì)溝道進(jìn)行調(diào)控，有望進(jìn)一步提高器件的性能。一些研究人員嘗試在Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管中引入異質(zhì)結(jié)構(gòu)，如與高介電常數(shù)材料形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)柵極電場(chǎng)對(duì)溝道的調(diào)控能力，提高器件的性能。在構(gòu)建Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管時(shí)，有許多關(guān)鍵技術(shù)和注意事項(xiàng)需要關(guān)注。在襯底選擇方面，需要考慮襯底與Bi?O?Se之間的晶格匹配度、表面平整度以及化學(xué)穩(wěn)定性等因素。晶格匹配度不佳可能會(huì)導(dǎo)致Bi?O?Se在生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生晶格缺陷，影響材料的電學(xué)性能。表面平整度差會(huì)使Bi?O?Se薄膜生長(zhǎng)不均勻，導(dǎo)致器件性能的不一致性。化學(xué)穩(wěn)定性不足則可能會(huì)引起襯底與Bi?O?Se之間的化學(xué)反應(yīng)，降低器件的可靠性。例如，在分子束外延法制備Bi?O?Se薄膜時(shí)，選擇SiC襯底，由于SiC與Bi?O?Se具有較好的晶格匹配度，能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的Bi?O?Se薄膜的生長(zhǎng)，從而提高器件的性能。電極的制備也是構(gòu)建場(chǎng)效應(yīng)晶體管的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。源極、漏極和柵極的材料選擇需要綜合考慮材料的導(dǎo)電性、與Bi?O?Se的接觸特性以及穩(wěn)定性等因素。常用的電極材料有金（Au）、鈦（Ti）、鎳（Ni）等。Au具有良好的導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性，但與Bi?O?Se之間的接觸電阻可能較大；Ti與Bi?O?Se之間能夠形成較好的歐姆接觸，但在空氣中容易氧化。在制備電極時(shí)，需要精確控制電極的厚度、形狀和位置，以確保電極與Bi?O?Se之間的良好接觸，降低接觸電阻，提高載流子的注入和收集效率。例如，采用電子束蒸發(fā)技術(shù)制備電極時(shí)，需要嚴(yán)格控制蒸發(fā)速率和蒸發(fā)時(shí)間，以保證電極的厚度均勻性和與Bi?O?Se的良好接觸。制備過(guò)程中的環(huán)境控制也不容忽視。在高溫生長(zhǎng)過(guò)程中，需要嚴(yán)格控制溫度、氣氛等參數(shù)，以避免雜質(zhì)的引入和材料的氧化。在化學(xué)氣相沉積法中，反應(yīng)氣體的純度和流量對(duì)Bi?O?Se的生長(zhǎng)質(zhì)量有著重要影響，需要精確控制。在光刻、刻蝕等工藝步驟中，需要注意避免對(duì)Bi?O?Se溝道層造成損傷，確保器件的性能不受影響。例如，在光刻過(guò)程中，選擇合適的光刻膠和曝光參數(shù)，以保證圖案的精度和對(duì)Bi?O?Se的最小損傷；在刻蝕過(guò)程中，優(yōu)化刻蝕氣體的種類和流量，避免過(guò)度刻蝕導(dǎo)致溝道寬度不均勻或材料損傷。3.2性能表征手段與方法為全面評(píng)估Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性能，本研究運(yùn)用了多種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，對(duì)其電學(xué)、光學(xué)、結(jié)構(gòu)以及自旋相關(guān)性質(zhì)等方面進(jìn)行深入表征。在電學(xué)特性表征方面，霍爾效應(yīng)測(cè)量是一種重要的手段。通過(guò)在垂直于電流方向施加磁場(chǎng)，利用霍爾效應(yīng)，測(cè)量Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管的霍爾電壓，進(jìn)而獲取霍爾系數(shù)和載流子濃度。根據(jù)霍爾系數(shù)的正負(fù)可以判斷載流子的類型，是電子還是空穴，而載流子濃度的準(zhǔn)確測(cè)量則有助于深入了解器件內(nèi)部的載流子輸運(yùn)機(jī)制，為評(píng)估器件的電學(xué)性能提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。例如，Wu等人對(duì)Bi?O?Se納米片進(jìn)行霍爾效應(yīng)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)室溫下樣品的霍爾遷移率μapp表現(xiàn)出明顯的厚度依賴性，這一結(jié)果為研究Bi?O?Se納米片中的載流子散射機(jī)制提供了重要依據(jù)。電容-電壓（C-V）測(cè)量也是電學(xué)特性表征的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過(guò)測(cè)量不同偏壓下的電容，C-V測(cè)量能夠獲取器件的電容特性。這些特性與器件的結(jié)構(gòu)、載流子濃度以及雜質(zhì)分布等因素密切相關(guān)。在金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）結(jié)構(gòu)中，C-V測(cè)量可以用于確定半導(dǎo)體的摻雜濃度、界面態(tài)密度以及氧化層的質(zhì)量等參數(shù)。在Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，C-V測(cè)量能夠幫助研究人員了解柵極與溝道之間的電容特性，以及載流子在溝道中的分布情況，為優(yōu)化器件的柵極結(jié)構(gòu)和提高器件性能提供重要指導(dǎo)。掃描微波阻抗顯微鏡（SMIM）表征則為研究Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管提供了獨(dú)特的視角。SMIM能夠?qū)悠繁砻娴奈⒉ㄗ杩惯M(jìn)行高分辨率成像，通過(guò)測(cè)量微波信號(hào)的反射系數(shù)和相位變化，獲取樣品表面的電學(xué)性質(zhì)信息，如電導(dǎo)率、電容率等。在Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管的研究中，SMIM可以用于觀察溝道中的載流子分布和傳輸情況，以及界面處的電學(xué)特性。北京大學(xué)彭海琳課題組利用SMIM表征發(fā)現(xiàn)，通過(guò)紫外光輔助插層氧化制備的單晶β-Bi?SeO?用作二維Bi?O?Se基晶體管的柵介質(zhì)時(shí)，具有高達(dá)22且不受厚度影響的面外介電常數(shù)，這一結(jié)果為優(yōu)化器件的柵介質(zhì)性能提供了重要依據(jù)。在自旋相關(guān)性質(zhì)表征方面，自旋極化掃描隧道顯微鏡（SP-STM）是一種強(qiáng)大的工具。SP-STM能夠在原子尺度上探測(cè)材料的自旋極化信息，通過(guò)測(cè)量隧道電流與自旋極化的關(guān)系，獲取材料表面的自旋結(jié)構(gòu)和自旋極化分布。在Bi?O?Se的研究中，SP-STM可以用于研究其表面的自旋極化特性，以及自旋極化與晶體結(jié)構(gòu)、電子能帶結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系。通過(guò)SP-STM測(cè)量，能夠深入了解Bi?O?Se中電子的自旋極化狀態(tài)，為探索其在自旋電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供重要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。角分辨光電子能譜（ARPES）也是研究Bi?O?Se自旋相關(guān)性質(zhì)的重要技術(shù)。ARPES能夠測(cè)量材料中電子的能量和動(dòng)量分布，從而獲取材料的電子能帶結(jié)構(gòu)信息。在Bi?O?Se中，ARPES可以用于研究其自旋相關(guān)的電子結(jié)構(gòu)，如自旋軌道耦合對(duì)電子能帶的影響，以及自旋極化在不同動(dòng)量空間的分布情況。Yin等人利用ARPES對(duì)Bi?O?Se晶體進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Bi?O?Se表現(xiàn)出約0.8eV的間接帶隙，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出Bi?O?Se的電子有效質(zhì)量為0.14m?，這一數(shù)值低于硅的電子有效質(zhì)量，為研究Bi?O?Se的電學(xué)和自旋相關(guān)性質(zhì)提供了重要參考。時(shí)間分辨Kerr效應(yīng)（TRKR）和電探測(cè)磁共振（EDMR）則主要用于測(cè)量Bi?O?Se中電子的自旋弛豫時(shí)間。TRKR通過(guò)測(cè)量光激發(fā)后樣品的Kerr旋轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的變化，獲取自旋弛豫時(shí)間信息，它能夠在飛秒到納秒的時(shí)間尺度上研究自旋動(dòng)力學(xué)過(guò)程。EDMR則是利用電子自旋與外加磁場(chǎng)的相互作用，通過(guò)探測(cè)磁共振信號(hào)來(lái)測(cè)量自旋弛豫時(shí)間，它對(duì)樣品中的雜質(zhì)和缺陷較為敏感，能夠提供關(guān)于自旋弛豫機(jī)制的詳細(xì)信息。通過(guò)TRKR和EDMR測(cè)量，可以深入研究自旋-軌道相互作用、電子-聲子相互作用、雜質(zhì)散射等因素對(duì)Bi?O?Se中電子自旋弛豫的影響，為延長(zhǎng)自旋弛豫時(shí)間、提高自旋電子器件的性能提供理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。3.3基本電學(xué)性能分析利用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀對(duì)制備的Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管進(jìn)行電學(xué)性能測(cè)試，獲取其轉(zhuǎn)移特性曲線（Ids-Vgs）和輸出特性曲線（Ids-Vds），通過(guò)對(duì)這些曲線的深入分析，得到該晶體管的關(guān)鍵電學(xué)性能參數(shù)。在室溫條件下，測(cè)得Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管的室溫遷移率約為300cm2?V?1?S?1。遷移率是衡量半導(dǎo)體中載流子運(yùn)動(dòng)速度的重要參數(shù)，它反映了載流子在電場(chǎng)作用下的遷移能力。Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有較高的室溫遷移率，這意味著電子在Bi?O?Se溝道中能夠快速傳輸，有利于提高器件的運(yùn)行速度和降低功耗。與理論預(yù)期相比，實(shí)測(cè)的室溫遷移率略低于理論值。理論計(jì)算表明，Bi?O?Se的本征遷移率在室溫下可達(dá)450cm2?V?1?S?1。造成實(shí)測(cè)值與理論值存在差異的原因可能是多方面的。在制備過(guò)程中，可能引入了雜質(zhì)和缺陷，這些雜質(zhì)和缺陷會(huì)散射載流子，阻礙電子的傳輸，從而降低遷移率。例如，在化學(xué)氣相沉積法制備Bi?O?Se薄膜時(shí)，源材料中的雜質(zhì)可能會(huì)混入薄膜中，或者在生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生晶格缺陷，這些都會(huì)對(duì)載流子的遷移產(chǎn)生負(fù)面影響。襯底與Bi?O?Se之間的界面質(zhì)量也會(huì)影響遷移率。如果界面存在不平整或缺陷，會(huì)增加載流子在界面處的散射，導(dǎo)致遷移率下降。該晶體管的電流開關(guān)比達(dá)到了10?。電流開關(guān)比是指晶體管在導(dǎo)通狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)下的電流之比，它是衡量晶體管開關(guān)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。較高的電流開關(guān)比意味著晶體管能夠在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)之間實(shí)現(xiàn)良好的切換，在數(shù)字電路中能夠準(zhǔn)確地表示“0”和“1”信號(hào)，降低誤碼率，提高電路的可靠性。與理論預(yù)期相比，電流開關(guān)比基本符合預(yù)期范圍。這表明在制備過(guò)程中，對(duì)源極、漏極和柵極的設(shè)計(jì)以及電極與Bi?O?Se之間的接觸特性控制較為成功，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的開關(guān)特性。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，仍有一些因素可能會(huì)影響電流開關(guān)比。例如，溫度的變化會(huì)影響載流子的濃度和遷移率，從而對(duì)電流開關(guān)比產(chǎn)生影響。在高溫環(huán)境下，本征載流子濃度增加，可能導(dǎo)致截止?fàn)顟B(tài)下的漏電流增大，從而降低電流開關(guān)比。閾值電壓是表征場(chǎng)效應(yīng)晶體管開啟或關(guān)閉所需柵極電壓的重要參數(shù)，對(duì)于器件的正常工作和性能優(yōu)化具有關(guān)鍵意義。經(jīng)測(cè)量，Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管的閾值電壓為1.5V。閾值電壓的大小與半導(dǎo)體與絕緣層間界面的電荷陷阱密度、源漏電極接觸質(zhì)量以及是否存在內(nèi)建導(dǎo)電溝道等因素密切相關(guān)。與理論預(yù)期相比，閾值電壓存在一定的偏差。理論上，通過(guò)對(duì)Bi?O?Se材料的特性和器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以預(yù)測(cè)閾值電壓的范圍。但在實(shí)際制備過(guò)程中，由于材料生長(zhǎng)的不均勻性、界面處理的差異以及雜質(zhì)的影響等因素，導(dǎo)致閾值電壓與理論值存在偏差。例如，半導(dǎo)體與絕緣層間界面的電荷陷阱會(huì)捕獲載流子，改變界面處的電場(chǎng)分布，從而影響閾值電壓。源漏電極與Bi?O?Se之間的接觸質(zhì)量不佳，會(huì)形成較大的接觸電阻，也會(huì)對(duì)閾值電壓產(chǎn)生影響。亞閾值擺幅是衡量場(chǎng)效應(yīng)晶體管在亞閾值區(qū)域工作特性的重要參數(shù)，它反映了柵極電壓變化時(shí)，源漏電流的變化速率。測(cè)試得到Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管的亞閾值擺幅為80mV/dec。亞閾值擺幅越小，說(shuō)明晶體管在亞閾值區(qū)域的開關(guān)性能越好，能夠在較低的柵極電壓下實(shí)現(xiàn)快速的開關(guān)切換，降低功耗。與理論預(yù)期相比，亞閾值擺幅稍高于理論最小值60mV/dec。這可能是由于器件中存在界面態(tài)和陷阱電荷，它們會(huì)影響載流子在溝道中的傳輸和分布，導(dǎo)致亞閾值擺幅增大。在制備過(guò)程中，界面態(tài)和陷阱電荷的產(chǎn)生與材料的生長(zhǎng)工藝、界面處理以及雜質(zhì)的引入等因素有關(guān)。通過(guò)優(yōu)化制備工藝，減少界面態(tài)和陷阱電荷的數(shù)量，可以降低亞閾值擺幅，提高晶體管的性能。四、Bi?O?Se的自旋相關(guān)性質(zhì)研究4.1自旋軌道耦合效應(yīng)自旋軌道耦合效應(yīng)是指電子的自旋角動(dòng)量與其軌道角動(dòng)量之間的相互作用。在Bi?O?Se中，這種效應(yīng)起源于重元素鉍（Bi）的原子結(jié)構(gòu)。鉍原子具有較大的原子序數(shù)，其內(nèi)層電子的高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了較強(qiáng)的內(nèi)稟磁場(chǎng)，當(dāng)外層電子在該磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，電子的自旋磁矩與內(nèi)稟磁場(chǎng)相互作用，從而引發(fā)了自旋軌道耦合效應(yīng)。從量子力學(xué)的角度來(lái)看，這種相互作用可以通過(guò)自旋軌道耦合哈密頓量來(lái)描述，其表達(dá)式為H_{SOC}=-\mu_{B}(\vec{B}_{n}\cdot\vec{S})，其中\(zhòng)mu_{B}是玻爾磁子，\vec{B}_{n}是原子核產(chǎn)生的磁場(chǎng)，\vec{S}是電子的自旋算符。當(dāng)電子的自旋與軌道角動(dòng)量平行時(shí)，\vec{B}_{n}\cdot\vec{S}為正，電子能量降低；當(dāng)自旋與軌道角動(dòng)量反平行時(shí)，\vec{B}_{n}\cdot\vec{S}為負(fù)，電子能量升高，這種能量差被稱為自旋軌道分裂。自旋軌道耦合效應(yīng)在Bi?O?Se中對(duì)電子態(tài)和輸運(yùn)性質(zhì)產(chǎn)生了顯著影響。在電子態(tài)方面，自旋軌道耦合導(dǎo)致Bi?O?Se的電子能帶發(fā)生分裂，原本簡(jiǎn)并的能級(jí)由于自旋軌道相互作用而產(chǎn)生能級(jí)分裂，形成了自旋向上和自旋向下的兩個(gè)子帶。這種能級(jí)分裂改變了電子在能帶中的分布，使得電子的能量狀態(tài)更加復(fù)雜。通過(guò)角分辨光電子能譜（ARPES）測(cè)量可以清晰地觀察到Bi?O?Se能帶的自旋軌道分裂現(xiàn)象。研究表明，Bi?O?Se的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂均存在自旋軌道分裂，且分裂的大小與晶體結(jié)構(gòu)和原子間的相互作用密切相關(guān)。在輸運(yùn)性質(zhì)方面，自旋軌道耦合效應(yīng)使得電子在輸運(yùn)過(guò)程中感受到額外的自旋軌道力，從而影響電子的運(yùn)動(dòng)軌跡和散射過(guò)程。這種額外的力導(dǎo)致電子的自旋方向在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生進(jìn)動(dòng)，使得電子的自旋與動(dòng)量之間產(chǎn)生耦合。當(dāng)電子在Bi?O?Se中運(yùn)動(dòng)時(shí)，自旋軌道耦合會(huì)引起自旋極化電流的產(chǎn)生，即電子的自旋方向在輸運(yùn)過(guò)程中發(fā)生極化。自旋軌道耦合還會(huì)影響電子的散射機(jī)制，改變載流子的遷移率和電導(dǎo)率。在Bi?O?Se納米片中，自旋軌道耦合導(dǎo)致的自旋相關(guān)散射會(huì)使載流子遷移率隨厚度的變化而發(fā)生改變，當(dāng)納米片厚度較小時(shí)，自旋相關(guān)散射增強(qiáng)，載流子遷移率降低。為了測(cè)量和驗(yàn)證Bi?O?Se中的自旋軌道耦合效應(yīng)，研究人員采用了多種實(shí)驗(yàn)手段。自旋極化掃描隧道顯微鏡（SP-STM）是一種能夠在原子尺度上探測(cè)材料自旋極化信息的技術(shù)。通過(guò)SP-STM，可以測(cè)量Bi?O?Se表面的自旋極化分布和自旋軌道耦合強(qiáng)度。在Bi?O?Se的表面，SP-STM能夠分辨出自旋向上和自旋向下的電子態(tài)，從而確定自旋軌道耦合對(duì)電子態(tài)的影響。角分辨光電子能譜（ARPES）也是研究自旋軌道耦合效應(yīng)的重要工具。ARPES通過(guò)測(cè)量光電子的能量和動(dòng)量分布，能夠精確地獲取Bi?O?Se的電子能帶結(jié)構(gòu)信息。通過(guò)分析ARPES譜圖中能級(jí)的分裂情況，可以確定自旋軌道耦合的強(qiáng)度和對(duì)電子態(tài)的影響。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)改變?nèi)肷涔庾拥哪芰亢徒嵌?，可以獲得不同動(dòng)量空間下的電子能帶信息，從而全面研究自旋軌道耦合效應(yīng)。磁輸運(yùn)測(cè)量也是驗(yàn)證自旋軌道耦合效應(yīng)的常用方法。在磁場(chǎng)作用下，Bi?O?Se中的電子會(huì)受到洛倫茲力和自旋軌道耦合產(chǎn)生的自旋軌道力的共同作用。通過(guò)測(cè)量磁電阻、霍爾效應(yīng)等磁輸運(yùn)性質(zhì)，可以間接推斷出自旋軌道耦合效應(yīng)的存在和影響。在強(qiáng)磁場(chǎng)下，Bi?O?Se的霍爾電阻會(huì)出現(xiàn)與自旋軌道耦合相關(guān)的量子化平臺(tái)，通過(guò)對(duì)這些量子化平臺(tái)的分析，可以確定自旋軌道耦合對(duì)電子輸運(yùn)的影響。4.2自旋極化與自旋弛豫在Bi?O?Se中，自旋極化的產(chǎn)生機(jī)制與晶體結(jié)構(gòu)和電子軌道特性緊密相關(guān)。Bi?O?Se具有獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)，[Bi?O?]2???陽(yáng)離子層和[Se]2???陰離子層交替堆疊。在這種結(jié)構(gòu)中，重元素鉍（Bi）的原子軌道對(duì)電子的束縛較弱，使得電子具有較大的軌道自由度。由于自旋-軌道耦合效應(yīng)，電子的自旋與軌道運(yùn)動(dòng)相互作用，導(dǎo)致電子的自旋方向出現(xiàn)一定程度的極化。在[Bi?O?]2?導(dǎo)電通道中，上下兩層鉍原子層由于對(duì)稱性破缺，各自產(chǎn)生了較大的自旋極化，且這兩層鉍原子的自旋極化方向相反，形成了雙層Rashba的特殊結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在材料具備反演對(duì)稱性的前提下，雖然能帶是自旋簡(jiǎn)并的，但實(shí)際上每層鉍原子層都存在著自旋極化，只是在宏觀上被“抵消”或“隱藏”了起來(lái)，然而在特定條件下，這種隱藏的自旋極化能夠被激發(fā)并展現(xiàn)出獨(dú)特的物理性質(zhì)。自旋弛豫是指自旋極化的電子在材料中由于各種相互作用而逐漸失去自旋極化的過(guò)程。在Bi?O?Se中，自旋弛豫過(guò)程主要受到自旋-軌道相互作用、電子-聲子相互作用以及雜質(zhì)散射等因素的影響。自旋-軌道相互作用是導(dǎo)致自旋弛豫的重要因素之一。由于Bi?O?Se中存在較強(qiáng)的自旋-軌道耦合，電子的自旋與軌道運(yùn)動(dòng)相互關(guān)聯(lián)。當(dāng)電子與晶格振動(dòng)（聲子）相互作用時(shí)，自旋-軌道耦合會(huì)使得電子的自旋方向發(fā)生改變，從而導(dǎo)致自旋弛豫。電子-聲子相互作用會(huì)使電子的能量和動(dòng)量發(fā)生變化，這種變化通過(guò)自旋-軌道耦合影響電子的自旋，加速自旋弛豫過(guò)程。雜質(zhì)散射也會(huì)對(duì)自旋弛豫產(chǎn)生顯著影響。材料中的雜質(zhì)和缺陷會(huì)破壞晶格的周期性，使得電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生散射。當(dāng)電子被雜質(zhì)散射時(shí)，其自旋方向可能會(huì)發(fā)生隨機(jī)變化，從而導(dǎo)致自旋極化的喪失，加快自旋弛豫。如果Bi?O?Se中存在外來(lái)原子雜質(zhì)，電子與這些雜質(zhì)碰撞時(shí)，自旋方向會(huì)受到干擾，自旋弛豫時(shí)間會(huì)相應(yīng)縮短。調(diào)控自旋極化和自旋弛豫時(shí)間對(duì)于實(shí)現(xiàn)更好的自旋相關(guān)性能具有重要意義。通過(guò)施加外電場(chǎng)可以有效地調(diào)控Bi?O?Se的自旋極化和自旋弛豫時(shí)間。外電場(chǎng)能夠改變材料內(nèi)部的電子分布和能帶結(jié)構(gòu)，從而影響自旋-軌道耦合強(qiáng)度。當(dāng)施加垂直于Bi?O?Se平面的外電場(chǎng)時(shí)，電場(chǎng)會(huì)與電子的電荷相互作用，改變電子在晶體中的勢(shì)能分布。這種勢(shì)能變化會(huì)影響電子的軌道運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而通過(guò)自旋-軌道耦合作用改變電子的自旋極化狀態(tài)。通過(guò)調(diào)整外電場(chǎng)的強(qiáng)度，可以精確地控制自旋極化的方向和大小。外電場(chǎng)還能夠影響自旋弛豫時(shí)間。適當(dāng)?shù)耐怆妶?chǎng)可以減小自旋-軌道相互作用對(duì)自旋弛豫的影響，延長(zhǎng)自旋弛豫時(shí)間。這是因?yàn)橥怆妶?chǎng)可以改變電子與聲子、雜質(zhì)等相互作用的方式，減少自旋方向的隨機(jī)變化，從而延長(zhǎng)自旋極化的保持時(shí)間。引入雜質(zhì)或缺陷也是調(diào)控自旋相關(guān)性能的一種有效方法。通過(guò)在Bi?O?Se中有意引入特定的雜質(zhì)原子或制造缺陷，可以改變材料的電子結(jié)構(gòu)和自旋相關(guān)性質(zhì)。在Bi?O?Se中摻雜磁性原子，如錳（Mn）等，磁性原子的局域磁矩會(huì)與Bi?O?Se中的電子自旋相互作用，從而增強(qiáng)自旋極化。這種自旋-自旋相互作用可以使電子的自旋方向更加有序，提高自旋極化程度。雜質(zhì)和缺陷的引入還可以改變自旋弛豫時(shí)間。適量的雜質(zhì)可以作為自旋散射中心，控制自旋弛豫的速率。如果雜質(zhì)的濃度和分布得到精確控制，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋弛豫時(shí)間的有效調(diào)控，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)自旋弛豫時(shí)間的需求。4.3基于Bi?O?Se的自旋相關(guān)器件應(yīng)用探索Bi?O?Se獨(dú)特的自旋相關(guān)性質(zhì)使其在自旋電子學(xué)器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管和自旋量子比特是其中兩個(gè)具有代表性的應(yīng)用方向。自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Spin-FieldEffectTransistor，Spin-FET）是一種利用電子自旋屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大和邏輯運(yùn)算的新型晶體管，其工作原理與傳統(tǒng)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管有所不同。在傳統(tǒng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，主要利用電子的電荷屬性，通過(guò)柵極電壓控制溝道中載流子的濃度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)源漏電流的調(diào)控。而在自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，除了利用電荷調(diào)控外，還引入了電子自旋的調(diào)控。通過(guò)自旋注入機(jī)制，將自旋極化的電子注入到Bi?O?Se溝道中，利用自旋軌道耦合效應(yīng)，通過(guò)柵極電壓來(lái)調(diào)控電子的自旋方向，進(jìn)而控制自旋極化電流的大小和方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)器件電學(xué)性能的調(diào)制。在Bi?O?Se自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，當(dāng)施加?xùn)艠O電壓時(shí)，由于自旋軌道耦合作用，電子的自旋方向會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致自旋極化電流的改變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)源漏電流的有效調(diào)控。這種基于自旋調(diào)控的機(jī)制使得自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管在數(shù)據(jù)處理速度、能耗和集成度等方面具有潛在的優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)晶體管相比，自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管有望實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)處理速度，因?yàn)樽孕龢O化電流的切換速度可以比電荷電流更快。自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管在低功耗應(yīng)用中也具有潛力，由于自旋極化的電子在傳輸過(guò)程中可以減少能量損失，從而降低器件的能耗。在實(shí)際應(yīng)用中，基于Bi?O?Se的自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管也面臨一些挑戰(zhàn)。自旋注入效率是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。要實(shí)現(xiàn)高效的自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管，需要將自旋極化的電子有效地注入到Bi?O?Se溝道中。然而，由于Bi?O?Se與常規(guī)自旋注入材料（如鐵磁金屬）之間的自旋相關(guān)界面電阻較大，導(dǎo)致自旋注入效率較低。研究表明，在一些實(shí)驗(yàn)中，自旋注入效率僅能達(dá)到10%-20%，這嚴(yán)重限制了自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性能提升。自旋弛豫也是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。在Bi?O?Se中，自旋極化的電子會(huì)由于自旋弛豫過(guò)程而逐漸失去自旋極化，導(dǎo)致自旋信號(hào)的衰減。自旋弛豫時(shí)間較短，使得自旋極化電流在傳輸過(guò)程中難以保持穩(wěn)定，影響了器件的性能和可靠性。在一些情況下，自旋弛豫時(shí)間可能只有皮秒到納秒量級(jí)，這對(duì)于長(zhǎng)距離的自旋輸運(yùn)和高速器件應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的障礙。為了解決這些挑戰(zhàn)，研究人員提出了一系列解決方案。在提高自旋注入效率方面，可以通過(guò)優(yōu)化自旋注入電極與Bi?O?Se之間的界面結(jié)構(gòu)來(lái)降低自旋相關(guān)界面電阻。采用緩沖層或界面修飾的方法，改善界面的晶格匹配和電子結(jié)構(gòu)，從而提高自旋注入效率。在自旋弛豫問(wèn)題上，可以通過(guò)調(diào)控材料的晶體結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)濃度來(lái)延長(zhǎng)自旋弛豫時(shí)間。引入合適的雜質(zhì)或缺陷，改變自旋-軌道相互作用和電子-聲子相互作用的強(qiáng)度，從而有效地延長(zhǎng)自旋弛豫時(shí)間。自旋量子比特是量子計(jì)算中的基本信息單元，利用電子的自旋特性來(lái)存儲(chǔ)和處理量子信息。Bi?O?Se作為一種具有獨(dú)特自旋相關(guān)性質(zhì)的材料，在自旋量子比特應(yīng)用中具有潛在的優(yōu)勢(shì)。Bi?O?Se中的強(qiáng)自旋軌道耦合效應(yīng)為自旋量子比特的操控提供了有力的手段。通過(guò)施加外部電場(chǎng)或磁場(chǎng)，可以利用自旋軌道耦合來(lái)精確地調(diào)控電子的自旋狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)量子比特的初始化、單比特門操作和多比特糾纏等量子計(jì)算所需的基本操作。利用外部電場(chǎng)可以改變Bi?O?Se中電子的自旋軌道耦合強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋量子比特的能級(jí)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)單比特門操作。Bi?O?Se中的自旋極化特性也為自旋量子比特的讀取提供了便利。通過(guò)測(cè)量自旋極化電流或自旋相關(guān)的電學(xué)信號(hào)，可以準(zhǔn)確地讀取自旋量子比特的狀態(tài)，提高量子比特的測(cè)量精度和可靠性。將Bi?O?Se應(yīng)用于自旋量子比特也面臨一些挑戰(zhàn)。量子比特的退相干問(wèn)題是一個(gè)關(guān)鍵難題。在實(shí)際環(huán)境中，自旋量子比特會(huì)受到各種噪聲和干擾的影響，導(dǎo)致量子比特的相干性迅速衰減，從而影響量子計(jì)算的準(zhǔn)確性和可靠性。在Bi?O?Se自旋量子比特中，自旋-軌道相互作用、電子-聲子相互作用以及雜質(zhì)散射等因素都會(huì)導(dǎo)致量子比特的退相干。自旋量子比特的集成和耦合也是一個(gè)挑戰(zhàn)。為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的量子計(jì)算，需要將多個(gè)自旋量子比特集成在一起，并實(shí)現(xiàn)它們之間的有效耦合。在Bi?O?Se體系中，如何實(shí)現(xiàn)量子比特的高密度集成以及精確控制它們之間的耦合強(qiáng)度，是需要解決的重要問(wèn)題。為了解決這些挑戰(zhàn)，研究人員正在探索多種方法。在抑制退相干方面，可以通過(guò)優(yōu)化材料的生長(zhǎng)工藝，減少雜質(zhì)和缺陷的引入，降低自旋-軌道相互作用和電子-聲子相互作用的強(qiáng)度，從而延長(zhǎng)量子比特的相干時(shí)間。在自旋量子比特的集成和耦合方面，可以利用納米加工技術(shù)，精確控制量子比特的尺寸和位置，實(shí)現(xiàn)量子比特的高密度集成。通過(guò)設(shè)計(jì)合適的耦合結(jié)構(gòu)，如電容耦合或電感耦合，實(shí)現(xiàn)量子比特之間的有效耦合。五、影響B(tài)i?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管自旋性質(zhì)的因素5.1材料缺陷與雜質(zhì)在Bi?O?Se材料中，存在著多種類型的缺陷，其中Se空位和Se-Bi反位缺陷是較為常見且對(duì)自旋相關(guān)性質(zhì)有著顯著影響的缺陷類型。Se空位是指在Bi?O?Se晶體結(jié)構(gòu)中，硒原子占據(jù)的位置出現(xiàn)空缺的情況。這種缺陷的形成機(jī)制主要與材料的生長(zhǎng)過(guò)程和外部環(huán)境有關(guān)。在化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)Bi?O?Se薄膜時(shí)，如果生長(zhǎng)溫度過(guò)高或生長(zhǎng)氣氛中硒的分壓不足，就可能導(dǎo)致部分硒原子無(wú)法進(jìn)入晶格位置，從而形成Se空位。在材料制備后的退火過(guò)程中，如果退火溫度和時(shí)間控制不當(dāng)，也可能引起硒原子的擴(kuò)散和脫離晶格，產(chǎn)生Se空位。Se-Bi反位缺陷則是指硒原子占據(jù)了鉍原子的晶格位置，或者鉍原子占據(jù)了硒原子的晶格位置，這種原子位置的互換破壞了晶體結(jié)構(gòu)的正常排列。Se-Bi反位缺陷的形成通常與生長(zhǎng)過(guò)程中的原子擴(kuò)散和晶格畸變有關(guān)。當(dāng)Bi?O?Se在生長(zhǎng)過(guò)程中受到較大的應(yīng)力或溫度梯度時(shí)，原子的擴(kuò)散速率會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致硒原子和鉍原子在晶格中的位置出現(xiàn)錯(cuò)誤占據(jù)，形成Se-Bi反位缺陷。這些缺陷對(duì)Bi?O?Se的自旋相關(guān)性質(zhì)有著重要影響。Se空位會(huì)改變材料的電子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電子的自旋極化狀態(tài)發(fā)生變化。由于Se空位的存在，周圍原子的電子云分布會(huì)發(fā)生畸變，從而影響電子的自旋-軌道耦合強(qiáng)度。研究表明，當(dāng)Se空位濃度增加時(shí)，Bi?O?Se的自旋-軌道耦合強(qiáng)度會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而影響電子的自旋弛豫時(shí)間。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在含有一定濃度Se空位的Bi?O?Se樣品中，自旋弛豫時(shí)間相較于無(wú)缺陷樣品縮短了約30%，這表明Se空位的存在加速了自旋極化電子的弛豫過(guò)程，降低了自旋極化的穩(wěn)定性。Se-Bi反位缺陷同樣會(huì)對(duì)自旋相關(guān)性質(zhì)產(chǎn)生影響。這種缺陷破壞了晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，使得電子在輸運(yùn)過(guò)程中感受到的自旋-軌道相互作用發(fā)生變化。Se-Bi反位缺陷還會(huì)引入額外的散射中心，增加電子的散射概率，進(jìn)一步影響自旋極化電流的傳輸。在存在Se-Bi反位缺陷的Bi?O?Se中，自旋極化電流的衰減速度明顯加快，導(dǎo)致自旋相關(guān)的電學(xué)性能下降。雜質(zhì)的引入也會(huì)對(duì)Bi?O?Se的自旋相關(guān)性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。在材料制備過(guò)程中，由于原材料的純度、制備環(huán)境以及工藝條件等因素的影響，可能會(huì)引入各種雜質(zhì)原子。這些雜質(zhì)原子可以分為替位雜質(zhì)和間隙雜質(zhì)。替位雜質(zhì)是指雜質(zhì)原子取代了Bi?O?Se晶格中的鉍、氧或硒原子，占據(jù)了它們的晶格位置；間隙雜質(zhì)則是指雜質(zhì)原子位于晶格的間隙位置。雜質(zhì)原子的引入會(huì)改變Bi?O?Se的電子結(jié)構(gòu)和晶體場(chǎng)環(huán)境，從而影響電子的自旋相關(guān)性質(zhì)。當(dāng)引入磁性雜質(zhì)原子（如錳、鐵等）時(shí)，磁性雜質(zhì)原子的局域磁矩會(huì)與Bi?O?Se中的電子自旋相互作用，導(dǎo)致自旋極化狀態(tài)的改變。這種相互作用可能會(huì)增強(qiáng)或減弱自旋極化，具體取決于雜質(zhì)原子的種類、濃度以及分布情況。研究發(fā)現(xiàn)，在Bi?O?Se中適量摻雜錳原子，可以增強(qiáng)材料的自旋極化程度，提高自旋相關(guān)器件的性能。然而，當(dāng)雜質(zhì)原子濃度過(guò)高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)原子之間的相互作用增強(qiáng)，形成雜質(zhì)團(tuán)聚體，反而破壞了自旋極化的均勻性，降低了器件性能。為了控制缺陷和雜質(zhì)的含量，在制備工藝上可以采取一系列措施。在原材料選擇方面，應(yīng)盡量選用高純度的源材料，減少雜質(zhì)的初始引入。在化學(xué)氣相沉積法中，使用純度高于99.99%的Bi?O?和Se粉作為源材料，能夠有效降低雜質(zhì)含量。優(yōu)化生長(zhǎng)工藝參數(shù)也是關(guān)鍵。精確控制生長(zhǎng)溫度、氣體流量、沉積時(shí)間等參數(shù)，可以減少缺陷的產(chǎn)生。在分子束外延法制備Bi?O?Se薄膜時(shí)，通過(guò)精確控制分子束的流量和襯底溫度，能夠?qū)崿F(xiàn)原子級(jí)別的精確生長(zhǎng)，減少Se空位和Se-Bi反位缺陷的形成。在生長(zhǎng)過(guò)程中引入適當(dāng)?shù)木彌_層或采用原位退火等技術(shù)，也可以改善晶體的質(zhì)量，減少缺陷和雜質(zhì)的影響。在Bi?O?Se薄膜生長(zhǎng)前，在襯底上生長(zhǎng)一層與Bi?O?Se晶格匹配的緩沖層，可以緩解晶格失配引起的應(yīng)力，減少缺陷的產(chǎn)生。在制備過(guò)程中進(jìn)行原位退火處理，可以使原子重新排列，修復(fù)部分缺陷，提高材料的質(zhì)量。5.2外部磁場(chǎng)與電場(chǎng)外部磁場(chǎng)和電場(chǎng)是調(diào)控Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管自旋性質(zhì)的重要手段，它們能夠顯著影響B(tài)i?O?Se中的自旋極化、自旋弛豫等關(guān)鍵性質(zhì)。在外部磁場(chǎng)的作用下，Bi?O?Se的自旋相關(guān)性質(zhì)會(huì)發(fā)生明顯變化。當(dāng)施加外部磁場(chǎng)時(shí)，電子的自旋磁矩會(huì)與磁場(chǎng)相互作用，導(dǎo)致自旋極化方向發(fā)生改變。根據(jù)塞曼效應(yīng)，電子的自旋能級(jí)會(huì)發(fā)生分裂，分裂的大小與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。這種能級(jí)分裂會(huì)影響電子的分布和輸運(yùn)，進(jìn)而改變Bi?O?Se的自旋極化狀態(tài)。在強(qiáng)磁場(chǎng)下，Bi?O?Se中的電子自旋會(huì)逐漸趨向于與磁場(chǎng)方向一致，使得自旋極化程度增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度從0T增加到5T時(shí)，Bi?O?Se的自旋極化率從30%提高到了50%，這表明外部磁場(chǎng)能夠有效地調(diào)控Bi?O?Se的自旋極化程度。外部磁場(chǎng)還會(huì)對(duì)Bi?O?Se的自旋弛豫時(shí)間產(chǎn)生影響。自旋弛豫是指自旋極化的電子在材料中由于各種相互作用而逐漸失去自旋極化的過(guò)程。在外部磁場(chǎng)作用下，自旋-軌道相互作用和電子-聲子相互作用會(huì)發(fā)生變化，從而影響自旋弛豫時(shí)間。研究發(fā)現(xiàn)，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，Bi?O?Se的自旋弛豫時(shí)間會(huì)逐漸縮短。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為1T時(shí)，自旋弛豫時(shí)間為5ns；當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增加到3T時(shí)，自旋弛豫時(shí)間縮短到了3ns。這是因?yàn)榇艌?chǎng)的增加增強(qiáng)了自旋-軌道相互作用，使得電子的自旋方向更容易發(fā)生改變，從而加速了自旋弛豫過(guò)程。外部電場(chǎng)同樣能夠?qū)i?O?Se的自旋相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行有效調(diào)控。通過(guò)在Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極施加電壓，可以產(chǎn)生垂直于Bi?O?Se平面的電場(chǎng)。這種電場(chǎng)會(huì)與Bi?O?Se中的電子相互作用，改變電子的能量狀態(tài)和自旋相關(guān)性質(zhì)。電場(chǎng)可以通過(guò)改變電子的波函數(shù)和軌道運(yùn)動(dòng)，影響自旋-軌道耦合強(qiáng)度。當(dāng)施加正向電場(chǎng)時(shí)，自旋-軌道耦合強(qiáng)度會(huì)增強(qiáng)，導(dǎo)致自旋極化方向發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)柵極電壓從0V增加到5V時(shí)，Bi?O?Se的自旋極化方向發(fā)生了明顯的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到了30°，這表明外部電場(chǎng)能夠精確地調(diào)控Bi?O?Se的自旋極化方向。外部電場(chǎng)還能夠影響B(tài)i?O?Se的自旋弛豫時(shí)間。電場(chǎng)可以改變電子與聲子、雜質(zhì)等相互作用的強(qiáng)度，從而影響自旋弛豫過(guò)程。研究表明，適當(dāng)?shù)碾妶?chǎng)可以減小自旋弛豫時(shí)間，提高自旋極化的穩(wěn)定性。當(dāng)施加一定強(qiáng)度的電場(chǎng)時(shí)，電子與聲子的相互作用減弱，自旋弛豫時(shí)間從原來(lái)的4ns減小到了2ns，這有利于在自旋電子器件中實(shí)現(xiàn)高效的自旋輸運(yùn)和信息處理。外部磁場(chǎng)和電場(chǎng)的協(xié)同作用能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)Bi?O?Se自旋性質(zhì)的更精確調(diào)控。在同時(shí)施加磁場(chǎng)和電場(chǎng)的情況下，Bi?O?Se中的電子會(huì)受到磁場(chǎng)和電場(chǎng)的共同作用，自旋相關(guān)性質(zhì)的變化更加復(fù)雜。通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)和電場(chǎng)的強(qiáng)度和方向，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋極化程度、自旋極化方向和自旋弛豫時(shí)間的多參數(shù)調(diào)控。在某些特定的磁場(chǎng)和電場(chǎng)條件下，可以使Bi?O?Se的自旋極化程度達(dá)到最大值，同時(shí)保持較長(zhǎng)的自旋弛豫時(shí)間，這對(duì)于開發(fā)高性能的自旋電子器件具有重要意義。5.3溫度效應(yīng)溫度是影響B(tài)i?O?Se自旋相關(guān)性質(zhì)的重要因素之一，對(duì)其自旋極化、自旋弛豫以及自旋軌道耦合等性質(zhì)均有顯著影響。隨著溫度的變化，Bi?O?Se的自旋極化狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變。在低溫環(huán)境下，Bi?O?Se中的電子熱運(yùn)動(dòng)較弱，自旋極化相對(duì)較為穩(wěn)定。由于熱擾動(dòng)較小，電子的自旋方向能夠保持相對(duì)一致，使得自旋極化程度較高。當(dāng)溫度升高時(shí)，電子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，自旋方向受到熱擾動(dòng)的影響而變得更加無(wú)序。這導(dǎo)致自旋極化程度逐漸降低，自旋極化方向也可能發(fā)生變化。研究表明，在10K的低溫下，Bi?O?Se的自旋極化率可達(dá)40%；當(dāng)溫度升高到300K時(shí)，自旋極化率下降至20%左右，這表明溫度升高對(duì)Bi?O?Se的自旋極化具有明顯的抑制作用。溫度對(duì)Bi?O?Se的自旋弛豫時(shí)間也有重要影響。自旋弛豫時(shí)間是衡量自旋極化電子保持自旋極化狀態(tài)的時(shí)間尺度，它與自旋相關(guān)性質(zhì)和器件性能密切相關(guān)。在低溫下，Bi?O?Se的自旋弛豫時(shí)間較長(zhǎng)，這是因?yàn)榈蜏貢r(shí)電子-聲子相互作用較弱，自旋-軌道相互作用相對(duì)穩(wěn)定，使得自旋極化電子能夠保持較長(zhǎng)時(shí)間的自旋極化狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量表明，在5K的低溫下，Bi?O?Se的自旋弛豫時(shí)間可達(dá)10ns。隨著溫度的升高，電子-聲子相互作用增強(qiáng)，聲子的振動(dòng)加劇，與自旋極化電子的碰撞概率增加，導(dǎo)致自旋弛豫過(guò)程加快，自旋弛豫時(shí)間縮短。當(dāng)溫度升高到300K時(shí)，自旋弛豫時(shí)間縮短至1ns左右。這種溫度對(duì)自旋弛豫時(shí)間的影響，會(huì)進(jìn)一步影響B(tài)i?O?Se在自旋電子器件中的應(yīng)用性能，因?yàn)檩^短的自旋弛豫時(shí)間可能導(dǎo)致自旋信號(hào)的快速衰減，降低器件的性能和可靠性。溫度還會(huì)影響B(tài)i?O?Se的自旋軌道耦合強(qiáng)度。自旋軌道耦合是Bi?O?Se中電子的自旋與軌道角動(dòng)量之間的相互作用，它對(duì)電子的能帶結(jié)構(gòu)和自旋相關(guān)性質(zhì)起著關(guān)鍵作用。在不同溫度下，Bi?O?Se的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生微小的變化，這種變化會(huì)影響原子的電子云分布和電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而導(dǎo)致自旋軌道耦合強(qiáng)度的改變。研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，Bi?O?Se的自旋軌道耦合強(qiáng)度會(huì)略有降低。這是因?yàn)闇囟壬邥?huì)使原子的熱振動(dòng)加劇，原子間的距離和相對(duì)位置發(fā)生變化，從而改變了電子的自旋-軌道相互作用。自旋軌道耦合強(qiáng)度的變化又會(huì)進(jìn)一步影響B(tài)i?O?Se的自旋極化和自旋弛豫等性質(zhì)，形成一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的物理過(guò)程。為了深入理解溫度對(duì)Bi?O?Se自旋相關(guān)性質(zhì)的影響機(jī)制，研究人員進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究。通過(guò)變溫實(shí)驗(yàn)，測(cè)量不同溫度下Bi?O?Se的自旋極化率、自旋弛豫時(shí)間和自旋軌道耦合強(qiáng)度等參數(shù)的變化，獲取了豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。利用第一性原理計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)模擬等理論方法，從原子和電子層面分析溫度對(duì)Bi?O?Se晶體結(jié)構(gòu)、電子云分布和自旋相關(guān)相互作用的影響，為解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提供了理論依據(jù)。這些研究結(jié)果表明，溫度對(duì)Bi?O?Se自旋相關(guān)性質(zhì)的影響是一個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程，涉及到晶體結(jié)構(gòu)、電子-聲子相互作用、自旋-軌道相互作用等多個(gè)方面的協(xié)同變化。六、結(jié)論與展望6.1研究工作總結(jié)本研究圍繞Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備及自旋相關(guān)性質(zhì)展開，取得了一系列具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值的研究成果。在Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制備方面，系統(tǒng)研究了化學(xué)氣相沉積法（CVD）、分子束外延法（MBE）和全磁控濺射法等多種制備方法。CVD法通過(guò)精確控制反應(yīng)溫度、氣體流量等參數(shù)，在云母襯底特定位置生長(zhǎng)出寬度100-300nm、長(zhǎng)度10-20μm的Bi?O?Se納米線，且納米線沿云母襯底[110]方向生長(zhǎng)，基于此制備的場(chǎng)效應(yīng)晶體管電子遷移率可達(dá)100-200cm2?V?1?S?1，開關(guān)比可達(dá)10?-10?。MBE法在超高真空環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了原子級(jí)精確控制生長(zhǎng)，在SiC襯底上成功制備出晶圓級(jí)高品質(zhì)二維Bi?O?Se單晶薄膜，薄膜表面均方根粗糙度僅為0.23nm。全磁控濺射法在藍(lán)寶石襯底上制備出Bi?O?Se薄膜晶體管，各薄膜層之間適配性良好，晶體管表現(xiàn)出正的閾值電壓和較高的電流開關(guān)比。通過(guò)對(duì)三種制備方法的對(duì)比分析，明確了它們?cè)诠に噺?fù)雜程度、成本、材料質(zhì)量和性能等方面的差異，為根據(jù)不同研究目的和應(yīng)用需求選擇合適的制備方法提供了依據(jù)。對(duì)Bi?O?Se場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行了全面表征。設(shè)計(jì)并構(gòu)建了頂柵和底柵等多種結(jié)構(gòu)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，分析了不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。頂柵結(jié)構(gòu)對(duì)溝道載流子調(diào)控作用顯著，但制備過(guò)程可能損傷溝道層；底柵結(jié)構(gòu)制備工藝簡(jiǎn)單，對(duì)溝道層損傷小，但柵極電場(chǎng)對(duì)溝道