常规超导体及Ⅳ-Ⅵ族薄膜的分子束外延生长及扫描隧道显微镜研究

论文摘要

随着材料维度的降低,表面、界面处的电子结构在各类新奇物性中往往起着至关重要的作用。低维材料与衬底界面处的相互作用将对材料的性质产生巨大影响。因此,异质结界面工程是调控低维材料物性的一个有效途径。在本论文中,我们通过分子束外延（MBE）技术,在钛酸锶衬底上外延生长了传统超导体（Sn,Pb）以及IV-VI族化合物（PbSe,SnSe2）,并利用扫描隧道显微镜/扫描隧道显微谱（STM/STS）对异质结的制备及性质展开研究。论文取得的主要成果如下:（1）在钛酸锶（SrTiO3）衬底上,我们分别制备了结晶良好的弱耦合（Sn）以及强耦合（Pb）超导体小岛。低温STS观察到了Sn和Pb岛中增强的超导能隙,这可以归因于SrTiO3衬底界面处的电荷注入及界面电声耦合增强。变温隧穿电导谱研究发现,Sn岛中增强的超导能隙（2.05 meV）对应于超导转变温度Tc（8.2 K）,是块体Sn单晶Tc值的2.2倍。而Pb岛中大的超导能隙（7.1 meV,4.6 meV）则表现出相对低的Tc值（9.8 K,5.4 K）。这是由于Pb岛中存在电子关联与超导性间的竞争,导致Tc没有得到明显的提高。我们的研究表明SrTiO3衬底的界面效应可以有效提高弱耦合超导体的Tc值。（2）在钛酸锶衬底上,我们外延生长了寡层PbSe薄膜。通过对不同层厚薄膜的STM/STS研究发现,薄膜和衬底间的界面应力效应,导致PbSe晶格发生褶皱,从而形成√2×√2重构。随着层厚的增加,压缩应力释放,最终在第7层PbSe中观察到一维的边缘态。基于第一性原理计算发现,压缩应力引起的晶格褶皱将会调制单层PbSe能带反转能隙的大小,导致拓扑相变的产生。因此,我们的计算和实验结果表明,外延的PbSe中确实存在可能的二维拓扑晶体绝缘体相,界面应力可以有效地调制其拓扑性质。（3）在钛酸锶衬底上,我们通过分子束外延技术生长出连续、层数可控的SnSe2薄膜。STM及拉曼测量结果表明,界面应力可以引起薄层SnSe2薄膜中强的面内压缩应力,导致2×2电荷序的形成。随着应力的释放,双层薄膜中出现1×1六角晶格和2×2电荷序共存的区域。空间分辨的STS测量发现,增强的界面超导性仅存在于1×1区域。结合实验测量和第一性原理计算结果,增强的界面超导性是界面电荷转移及应力效应共同作用的结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
•   1.1 量子尺寸效应
•   1.2 传统超导简介
•   1.3 拓扑晶体绝缘体
•     1.3.1 三维拓扑晶体绝缘体
•     1.3.2 二维拓扑晶体绝缘体
•     1.3.3 二维拓扑态的谱学表征
•   1.4 电荷密度波
•   1.5 界面效应
•     1.5.1 界面增强电声耦合
•     1.5.2 界面电荷转移
•     1.5.3 界面应力效应
•   1.6 本论文结构安排
• 2 实验技术与原理
•   2.1 超高真空技术（UHV）
•   2.2 分子束外延技术（MBE）
•   2.3 低温强磁场技术
•   2.4 扫描隧道显微镜技术（STM）
•     2.4.1 STM的基本原理
•     2.4.2 扫描隧道谱（STS）
•     2.4.3 STM的基本构造
•   2.5 实验仪器介绍
• 3 钛酸锶衬底上Sn、Pb岛的超导性质的STM研究
•   3.1 研究背景
•   3.2 实验方法
•   3.3 外延Sn岛的STM研究
•     3.3.1 量子阱态和超导态的分布
•     3.3.2 增强的超导性
•   3.4 外延Pb岛的STM研究
•     3.4.1 量子阱态的分布
•     3.4.2 超导性质的体积依赖关系
•   3.5 本章小结
• 4 外延PbSe的界面应力效应及拓扑态的STM研究
•   4.1 研究背景
•   4.2 实验方法
•   4.3 PbSe的 MBE生长
•   4.4 PbSe的 STM研究
•     4.4.1 外延PbSe的应力效应
•     4.4.2 边缘态的谱学表征
•   4.5 本章小结
• 2薄膜的界面应力及电荷转移效应的STM研究'>5 外延SnSe₂薄膜的界面应力及电荷转移效应的STM研究
•   5.1 研究背景
•   5.2 实验方法
• 2薄膜的MBE生长'>  5.3 SnSe₂薄膜的MBE生长
• 2薄膜的STM研究'>  5.4 SnSe₂薄膜的STM研究
• 2薄膜压缩应力的表征'>    5.4.1 SnSe₂薄膜压缩应力的表征
•     5.4.2 应力效应及衬底电荷转移
•     5.4.3 增强的界面超导性
•   5.5 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读博士学位期间发表的学术论文

文章来源

类型: 博士论文

作者: 邵志斌

导师: 潘明虎

关键词: 异质结工程,分子束外延,钛酸锶,扫描隧道显微镜,界面应力,界面电荷转移,电声耦合增强,超导增强,拓扑相变,电荷序,增强界面超导

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,材料科学

单位: 华中科技大学

分类号: O469;TB306

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.004050

总页数: 119

文件大小: 9395K

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