三维拓扑绝缘体材料具有体态绝缘而表面态导电的新奇特性，成为现阶段国际研究的前沿与热点，为制备新型高性能光电子器件提供了重要机遇。碲化锑(Sb2Te3)作为三维拓扑绝缘体的一员，拥有受保护的表面态、较窄的体带隙和较高的表面载流子迁移率等一系列优异特性，为其在制备低损耗、宽频光电探测器件方面带来了潜在优势。碲化锑的优秀特性与其晶体微观结构息息相关，不同的低维纳米结构具有不同的性能。因此，本文以碲化锑物理气相沉积合成为切入点，采用不同工艺方法合成出碲化锑纳米材料并对其进行表征，基于制备的材料开展光电探测器件制备与器件性能研究。碲化锑具有较高的热电优值、较低的熔点(650°C)以及较为简单的电子结构，其较窄(0.23eV)的体带隙和较高的表面载流子迁移率更是为其在长波段的探测带来了一定的优势。同时，低维化的纳米材料具有超高比表面积和可调控的能带，能为光电探测器件带来结构及性能上的优势。
晶体结构
如下图所示，碲化锑属于三方晶系，其空间群为D3a(R-3m)，有着正六棱柱型的周期性层状晶体结构。该周期性结构的基本单元由五层原子构成，称为一个QL(Quintuple Layer)，一个QL间原子层的顺序依次为Te-Sb-Te-Sb-Te。一个QL中位于最顶层和最下层的Te原子层和相邻Sb原子层间的原子通过共价键和离子键相连，位于QL中间的Te原子层与相邻Sb 原子层间的原子以共价键相连，而相管的两个QL层之间的Te原子层间以范德瓦尔斯键相连。碲化锑的晶胞结构使得一个QL层中间的Sb原子和Te原子受到的束缚比顶端和底端的Te原子大，因此空位更容易出现在两个QL层之间相邻的Te原子层中，而非QL层中间的各原子层[1]。
相关研究
Xiao Z等人研究通过蒸镀碲化锑 (III) 与碲化铋 (III) 两种热电（TE）材料，逐层制备多层薄膜。制备得到的多层膜具有周期性交替结构，由11层或39层薄膜交替堆叠构成，单层厚度10nm。卢瑟福背散射谱（RBS）分析表明，沉积的碲化锑薄膜达到目标化学计量比Sb2Te3，碲化铋薄膜组成为Bi1.1Te3.0。采用3ω法导热系数测试系统测定多层薄膜的热导率；利用5MeV硅离子注入工艺进一步调控多层膜的热导率。基于该多层薄膜制备热电器件，用于测试跨平面热电电压并获得塞贝克系数。研究发现，该纳米结构多层薄膜材料的热导率低于传统块体材料，硅离子注入可进一步降低多层薄膜的热导率[2]。
Kim等人研究采用简便、可规模化、低成本的高能机械球磨法，制备了一种纳米复合材料：将碲化锑 (III) 双金属合金颗粒嵌入碳化钛与无定形碳构成的复合基体中。X射线衍射与高分辨透射电镜表征结果显示，Sb2Te3-TiC-C纳米复合材料中，纳米尺度的Sb2Te3与TiC颗粒均匀分散在无定形碳基体内部。电化学测试表明，与Sb2Te3-C、纯Sb2Te3相比，Sb2Te3-TiC-C具备更优异的电化学可逆性、循环稳定性与倍率性能。依据电化学性能确定了TiC的最优掺杂含量。在所有样品中，Sb2Te3-TiC(30%)-C综合性能最优：体积可逆容量可达463mAh・cm⁻³，600次循环后容量保持率80%；倍率性能良好，在5000mA・g⁻¹ 大电流下容量为100mA・g⁻¹小电流条件下的80%。适量TiC‑C在充放电循环中充当力学缓冲层与高导电基体，同时最大程度降低容量损失，从而提升电化学性能[3]。
参考文献
[1]刘澍锴. 拓扑绝缘体碲化锑基纳米材料合成及光电探测器件制备[D]. 成都:电子科技大学,2022.
[2]Xiao Z, Zimmerman RL, Holland LR, et al. Nanoscale BixTe3/SbTe3 multilayer thin film materials for reduced thermal conductivity[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section B. Beam Interactions with Materials and Atoms,2006,242(1/2):201-204.
[3]Kim, Hyeongi, Kim, MinJung, Yoon, Young Hoon, et al. Sb2Te3-TiC-C nanocomposites for the high-performance anode in lithium-ion batteries[J]. Electrochimica Acta,2019,2938-18. DOI:10.1016/j.electacta.2018.10.002.