1-1 硒化鉍晶體特性介紹
本實驗所探討的材料為硒化鉍晶體。硒化鉍晶體為Rhombohedral 結構，並以Se(1)-Bi-Se(2)-Bi-Se(1)五個原子層堆疊成一個基本單位，稱 為一個QL(Quintuple Layer)，硒化鉍單位晶格是由三個QL所組成，如 圖 1-1 所示[1]。其中每個QL的Se(1)層與最鄰近的QL的Se(1)層之間是藉 由凡德瓦爾力(Van Der Waals)鍵結，鍵結力較弱;而QL內部的Se(1)-Bi 和Se(1)-Bi之間則是以鍵結力較強的共價鍵(Covalent Bond)鍵結。硒化 鉍晶體的a軸與c軸長度分別為 4.1296 Å和 28.636 Å[2]。由於在c軸方 向QL與QL僅靠凡德瓦爾力鍵結，使得硒化鉍晶體在這方向可輕易剝 離進而得到光滑的表面。由於硒原子具有高揮發性，因此在製備樣品 時因硒空缺(Se Vacancy)的產生而使樣品本質載子濃度呈現n-type的 情況，而難以製備成載子為電洞的p-type。這使得材料本身的應用層 面受到限制，所以設法提高電洞濃度也是研究硒化鉍這個材料的一大 挑戰。
圖 1-1 (a)為硒化鉍晶體結構，紅色框線為晶體的一個 QL(b)由 Z 軸俯視的結構圖，一個 QL 分別排成三種不同的位 置，分別為 a、b 與 c (c) 硒化鉍晶體的側視圖[1]
1-2
硒化鉍晶體應用介紹
早期的AVBVI半導體薄膜材料如矽、碲、硒等化合物被做為熱門的熱
材料。其優點有堅固無雜音、溫度控制精確、以及可回收熱源轉換成 電能的優點一直被研究著。硒化鉍及其合金一直是具有最高之熱電優 值(Hermoelectric Figure of Merit) ZT，約為0.52。這些熱電材料的演進，
將對廣泛用於露營的手提式冷卻器，太空應用和半導體晶片冷卻等產 生相當重要的影響。由於這項研究尚在起步階段，理論與實務皆有 很大的研究空間。到了2004年美國費城賓州大學的理論物理學家坎恩
（Charles Kane）發現拓撲絕緣體(Topological Insulator)後對硒化鉍晶 體而言又有了新的領域應用;拓撲絕緣體是一種相當新穎的半導體材 料，其最大特點就是塊材內部不導電而表面可以導電。2006年史丹福 大學的S. C. Zhang教授用理論預測出拓撲絕緣體的能帶結構後並 於2009年將硒化鉍晶體拿去做角分析光電子能譜儀(Angle Resolved Photomission Spectroscopy, ARPES)後才真正得到硒化鉍的能帶結 構[4]，如圖1-2所示。
圖1-2 硒化鉍晶體的能帶結構圖[4]
隨著 S. C. Zhang 的實驗佐證，擁有類似量子霍爾效應的拓撲絕 緣體成了新興的熱門材料，AVBVI半導體材料不再侷限於熱電材料的 研究，其獨特的表面態成了科學家在量子領域方面特別感興趣的方 向。
1-3 研究動機
現今國外團隊也成功將矽化鉍薄膜成長於矽基板、氧化矽基板與 砷化鎵基板上[3-5]，此更說明了未來此材料與半導體工業上有很高的 相容性。因為硒化鉍這材料具有成為熱電材料以及兆赫波產生元件的
Epitaxy, MBE)，可精準的控制薄膜厚度為幾個 nm 數量級。然而分子 束磊晶法設備昂貴且製程耗時，脈衝雷射蒸鍍具有實驗架構簡單與製 程迅速的優點，目前亦有文獻記載以脈衝雷射蒸鍍法成功製備硒化鉍 薄膜[6-9]，因此我們希望藉由調整製程參數來製備出高品質的硒化鉍 薄膜後，將樣品拿去量測飛秒光激發-探測系統的實驗，比較塊材與 薄膜之間的差異性並估計薄膜的聲速。
1-4 論文架構
本論文共分為五章，第一章為緒論，介紹硒化鉍特性以及製備硒 化鉍薄膜的動機;第二章為硒化鉍薄膜製備與特性量測;第三章為飛 秒雷射激發-探測系統;第四章為實驗結果與討論;第五章為結論與 未來展望。