铁电与铁基超导薄膜的MBE生长与STM研究

发布时间：2017-04-14 03:15

  本文关键词：铁电与铁基超导薄膜的MBE生长与STM研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：纳米厚度薄膜常常展示不同于体材料的特异性质,其可控制备和精确表征对相关的基础研究和应用探索非常关键。在本论文中,我们利用分子束外延技术生长了Pb1-x SnxTe(001)铁电薄膜和Li Fe As(001)超导薄膜,并利用低温扫描隧道显微镜和扫描隧道谱对它们的形貌、原子和电子结构等进行了原位表征。论文主要成果如下:(1)我们在6H-Si C(0001)衬底上的石墨烯表面制备了无应力的Sn Te薄膜,发现当其厚度仅为一个晶胞(UC)时,薄膜仍然具有面内自发极化,其临界温度TC为270 K,比体材料高至少1.7倍。2~4 UC厚的薄膜在室温下就表现出明确的铁电性。变温实验表明,Sn Te薄膜(1 UC)在相变点附近具有二级相变的行为。在此基础上,我们提出了一种基于二维铁电薄膜的铁电存储器件,并利用扫描隧道显微镜模拟了数据读取过程,测得3 UC薄膜在4.7K下的开关比达到3000。(2)铁电Pb1-x SnxTe薄膜是一个中心反演对称性破缺和强自旋-轨道耦合的二维体系。通过对其晶体对称性的分析,我们推测其能带中垂直于面内自发极化的谷将发生相反的自旋劈裂,而平行于面内自发极化的谷保持自旋简并。我们在Pb0.5Sn0.5Te铁电薄膜的准粒子干涉图样中观察到了价带顶附近自旋劈裂导致的背散射禁戒,其劈裂能量超过220 me V。该研究表明原子级厚度铁电薄膜可能会成为一类新的谷电子学材料。(3)中心反演对称破缺和强自旋轨道耦合可以在一维体系中引起能带的谷相关的自旋劈裂。我们在原子级厚度的Sn Te薄膜边缘观察到了能带弯曲诱导的一维边缘态,其一维准粒子干涉图样表现出有能带选择性的散射。我们通过一个有谷相关自旋劈裂的能带模型很好地解释了该散射现象。(4)我们系统研究了在Nb掺杂的Sr Ti O3(100)衬底上高质量单晶Li Fe As薄膜的分子束外延制备,利用原位的扫描隧道显微镜和非原位的输运测量研究了薄膜的超导电性。原位的低温(4.7 K)扫描隧道谱表明,当薄膜厚度大于4 QL时,超导能隙开始出现,而厚度在13 QL以上的薄膜与体材料性质类似,超导能隙约为7 me V。在100 QL薄膜上进行的非原位输运实验给出超导转变温度Tc=16 K,上临界场Hc2=13.0 T。
【关键词】：铁电薄膜 铁基超导薄膜 扫描隧道显微镜 分子束外延
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O484.1
【目录】：

• 摘要3-4
• abstract4-10
• 第1章 引言10-21
• 1.1 量子界面效应10-13
• 1.1.1 界面超导10-12
• 1.1.2 界面铁电增强12-13
• 1.2 二维材料中的各种量子霍尔态13-18
• 1.2.1 量子霍尔效应14-15
• 1.2.2 量子自旋霍尔效应15-17
• 1.2.3 量子反常霍尔效应17-18
• 1.3 一维材料中的电子强关联效应18-21
• 第2章 实验仪器和原理21-43
• 2.1 扫描隧道显微镜21-28
• 2.1.1 STM的基本原理21-23
• 2.1.2 STM的结构23-26
• 2.1.3 扫描隧道谱26-27
• 2.1.4 STM针尖的制备27-28
• 2.2 稀释制冷技术28-34
• 2.2.1 稀释制冷的基本原理28-30
• 2.2.2 稀释制冷机的结构30-32
• 2.2.3 稀释制冷机的操作流程32-34
• 2.3 超高真空技术34-38
• 2.4 超导强磁场技术38-39
• 2.5 分子束外延技术39-43
• 第3章 无应力原子级厚度Sn Te铁电薄膜的生长与表征43-77
• 3.1 铁电薄膜研究背景43-55
• 3.1.1 关于铁电性的基本概念43-47
• 3.1.2 原子级厚度的铁电薄膜：理论研究47-49
• 3.1.3 原子级厚度的铁电薄膜：实验研究49-52
• 3.1.4 铁电随机存储器52-55
• 3.2 Sn Te体材料的铁电和拓扑性质55-57
• 3.3 原子级厚度Sn Te薄膜的van der Waals外延生长57-61
• 3.4 对单层Sn Te薄膜铁电性的表征61-67
• 3.4.1 单层Sn Te薄膜的条状畴结构与晶格畸变62-63
• 3.4.2 自发极化诱导的能带弯曲63-65
• 3.4.3 各种类型的畴界65-67
• 3.4.4 利用偏压脉冲实现自发极化反转67
• 3.5 原子级厚度Sn Te薄膜中的铁电TC增强67-72
• 3.5.1 利用布拉格峰的劈裂推导畸变角68-69
• 3.5.2 Sn Te薄膜的室温铁电性69-70
• 3.5.3 对于导致TC变化的物理机制的初步讨论70-72
• 3.6 面内极化的铁电薄膜在存储器件中的应用72-76
• 3.6.1 器件原理72-74
• 3.6.2 利用扫描隧道显微镜模拟测量器件开关比74-76
• 3.7 本章小结76-77
• 第4章 单层Pb1 ? xSnxTe薄膜二维能带谷相关的自旋劈裂77-90
• 4.1 研究背景77-81
• 4.1.1 有强自旋 -轨道耦合的二维中心对称破缺系统78-79
• 4.1.2 自旋霍尔效应与谷霍尔效应79-80
• 4.1.3 对单层Mo S2及类似材料的实验验证80-81
• 4.2 铁电Sn Te薄膜能带自旋劈裂的对称性分析81-84
• 4.3 单层Pb1?x SnxTe薄膜中组分调控的顺电 -铁电相变84-85
• 4.4 单层铁电Pb0.5Sn0.5Te薄膜与顺电Pb0.75Sn0.25Te薄膜散射波矢的对比85-88
• 4.5 初步的第一性原理计算验证88-89
• 4.6 本章小结89-90
• 第5章 铁电Sn Te薄膜边缘态谷相关的自旋劈裂90-99
• 5.1 研究背景90-92
• 5.2 能带弯曲诱导的一维边缘态92-94
• 5.3 有能带选择性的一维准粒子散射和能带的自旋劈裂94-98
• 5.4 本章小结98-99
• 第6章 超导Li Fe As薄膜的生长与表征99-109
• 6.1 研究背景99-101
• 6.2 Li Fe As薄膜的生长方法与生长机制研究101-104
• 6.3 薄膜形貌和超导能隙随层厚的变化104-107
• 6.4 输运测量107
• 6.5 本章小结107-109
• 第7章 结论109-111
• 参考文献111-125
• 致谢125-127
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果127-128

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