GIXRD对铋薄膜导电现象的研究

伴随着尺度的减小，薄膜材料表现出越来越多体材料中没有体现的物理性质，这些性质和因此而生的现象的原因及其应用吸引了越来越广泛的关注。半个世纪以来，半金属（semimetal）铋（Bi）由于具有极低的载流子浓度、极小的载流子有效质量、相对较大的费米波长，一直被作为研究量子输运效应（quantum transport）、量子尺寸效应（quantum size effect）的重要材料。其中一个非常有趣的问题就是在20世纪60年代提出的通过量子尺寸效应，将Bi薄膜从半金属转变为半导体。但是直到今天，围绕这个问题所进行的大量电导、霍尔输运测量，还有角分辨光电子能谱的能带结果不仅没有给这一问题给出确切的回答，反而引出了更多的矛盾与疑问。

图1(a) RHEED 6纳米和25纳米样品的RHEED图，电子沿[11-2]方向入射. (b),(c) 掠入射X射线衍射谱

本工作使用分子束外延的方法在氟化钡（111）表面生长了单晶铋（Bi）的薄膜。为了对样品的结构有更好的控制，在使用原位的RHEED之外，使用了北京同步辐射装置1W1A-漫散射实验站的掠入射X射线衍射（Grazing angle XRD）实验技术。如图1所示，我们观察到随着薄膜厚度的增长，铋薄膜的结构从多晶准立方相（(100)峰位27.1度）过渡到了单晶六角相（(1100)峰位39.7度）。在电导测量中（见图2(a)），同样观察到了这种转变。结合与RHEED和XRD的结果，我们确定了铋薄膜在氟化钡（111）衬底上的不同生长阶段，厚度大于15纳米的样品已经是单晶薄膜。

图2 (a) 电导在 300 K, 100 K, 5 K 下随厚度的变化关系；(b) 15纳米以上样品电导随厚度变化的斜率对温度作图，红线是对其做的e指数拟合。

在输运测量中，薄膜的电导在不同温度下随厚度的变化显示了薄膜的输运性质在高温、低温下分别由体内、表面主导。通过将电导-厚度的斜率对温度作图（图2(b)）我们分离出了体内对于电导的贡献，并且证明了即使有金属性的表面态存在，在铋薄膜的体内仍然存在半导体相，为长久以来的争论给出了确定的回答。

图3 (a) 不同厚度样品的电导率随温度的变化，右下是 270 K 到300 K 的放大图。(b) 270-300 K的电导率温度系数随厚度的变化。