[发明专利]一种理想二维费米液体系统Bi2

说明书

本发明公开了一种理想二维费米液体系统Bi₂O₂Se单晶，属于电子材料领域。本发明所述的Bi₂O₂Se单晶的晶体结构为四方晶系，空间群为I4/mmm(139)。采用化学气相输运法(升华法)和凝固析晶法均可制备得到Bi₂O₂Se单晶。两种方法生长的Bi₂O₂Se单晶均呈片状，晶体的尺寸范围为毫米级，纯度高、化学成分均匀性好。在2K到300K的宽温度范围内，实验测得的Bi₂O₂Se晶体的电阻率与温度平方(T²)呈正比关系，符合费米液体理论，Bi₂O₂Se单晶是一种理想二维费米液体系统。此外Bi₂O₂Se晶体的电子迁移率分别大于等于2.24×10⁵cm²V^‑1s^‑1(2K)和300cm²V^‑1s^‑1(300K)，并且在空气中具有良好的稳定性，因此在未来电子器件领域具有良好的应用前景，同时其生长方法简单，成本低廉，有利于工业化生产。

技术领域

本发明属于电子材料领域，特别涉及一种理想二维费米液体系统—Bi₂O₂Se 单晶及其制备方法和应用。

背景技术

朗道费米液体理论是描述相互作用的费米子体系的准粒子行为以及体系所对应的物理性质的唯象理论，该理论最先被应用到解释³He的问题中。随后，在忽略金属中周期晶格势能的前提下，这一理论经过少量修改，被推广到处理金属中的电子问题，该模型称为金属的凝胶模型。其基本假设是，一组相互作用的粒子可以用几乎无相互作用的准粒子气体来描述。在物理图像上，一个准粒子可以被看成是由在其它准粒子形成的平均场下运动的独立电子，对于该问题的处理几乎完全与自由费米子一样。费米液体理论在概念上有着极为重要的价值，因为它解释了为什么金属中相互作用电子组成的异常复杂的多体系统可以被看成无相互作用的费米气体，这显著地简化了问题的处理。除此之外，它还在理论上解释了除某些数值因子外，自由电子模型得到的所有结果仍然广泛适用的原因。

费米液体理论可以用来解释绝大部分金属的物理性质，比如说金属材料的电输运性质。考虑金属中的电输运性质涉及能量为k_BT的费米面附近的电子激发，这个激发能量一般在10^-2eV的量级，或者更小。这就暗示了激发电子在费米面附近，它们之间由相互作用引起的有效散射率是很小的。准粒子在有限温度时的散射率可以表示为τ^-1＝a(ε-ε_F)+bT²，从这个结果可知，系统的电阻率ρ是依赖于温度的，并且正比于T²。实验发现导电双钙钛矿Sr₂FeMoO₆多晶在50 K～350K的宽温度区间内，其电阻率ρ和T²呈线性关系，符合朗道费米液体理论，这是由于其特殊的磁性散射导致的，而在低温下由于声子散射的影响这种线性关系就不再满足[Y.Moritomo,S.Xu,A.Machida,T.Akimoto,E.Nishibori, M.Takata,M.Sakata,and K.Ohoyama,J.Phys.Soc.Jpn.69,1723-1726(2000)]。这种电阻率ρ与T²的正比关系表明在一定的温度下材料的电阻率为定值，即无需校准就可根据特定的温度来预测材料的电阻率，对新型电子器件的开发具有重要意义。然而到目前为止，所发现的此类符合理想费米液体理论的晶体材料数量很少。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供如下技术方案：

一种Bi₂O₂Se单晶，其为四方晶系，属于I4/mmm(139)空间群，晶格参数为