基于STM的微區(qū)四探針的研制與界面超導(dǎo)電性的原位測(cè)量.pdf

1、晶體的表面和界面處由于自由度降低，會(huì)產(chǎn)生許多新奇的低維量子現(xiàn)象。測(cè)量固體表面或者薄膜材料的晶體結(jié)構(gòu)、電子態(tài)結(jié)構(gòu)和電輸運(yùn)性質(zhì)不僅是研究材料物理性質(zhì)的重要手段，也為器件開(kāi)發(fā)指明了方向。材料的電導(dǎo)性質(zhì)主要通過(guò)電輸運(yùn)測(cè)量來(lái)表征。傳統(tǒng)的電輸運(yùn)測(cè)量過(guò)程中，樣品經(jīng)常不可避免地暴露于大氣環(huán)境中。對(duì)于某些樣品，這個(gè)過(guò)程可能會(huì)影響其表面物理性質(zhì)而改變測(cè)量結(jié)果。相比之下，原位測(cè)量得到的電輸運(yùn)性質(zhì)則更加可靠。原位測(cè)量，即在同一真空環(huán)境中進(jìn)行樣品制備和物理性質(zhì)測(cè)

2、量，避免了大氣對(duì)于樣品的影響，能夠更加準(zhǔn)確地反映樣品的真實(shí)性質(zhì)。另一方面，隨著技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今電子器件的尺寸逐年減小，其尺寸已經(jīng)達(dá)到了微米甚至納米級(jí)別。納米尺度樣品的電輸運(yùn)性質(zhì)的表征要求測(cè)量空間范圍也限定在微觀尺度，即微區(qū)電輸運(yùn)測(cè)量。微區(qū)四探針技術(shù)，作為一種微區(qū)電輸運(yùn)測(cè)量方法，集成四根微米級(jí)間距探針于一體，非常適合于原位測(cè)量。微區(qū)四探針?lè)椒ㄔ诎l(fā)明之后，被應(yīng)用于許多材料的表面態(tài)輸運(yùn)性質(zhì)原位測(cè)量，以及超薄超導(dǎo)材料的電阻轉(zhuǎn)變?cè)槐碚髦小?br

3、>　　本文以掃描隧道顯微鏡（STM）為基礎(chǔ)，改造了STM的掃描單元使其能夠與微區(qū)四探針兼容，并且使STM原有功能保留不受影響。STM是測(cè)量表面原子排布和表面電子態(tài)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)大工具，而樣品表面的晶體結(jié)構(gòu)和電子態(tài)對(duì)于電輸運(yùn)性質(zhì)會(huì)起決定性的作用。原位微區(qū)四探針電輸運(yùn)測(cè)量與STM相結(jié)合，能夠原位地獲得樣品的表面形貌、電子態(tài)以及輸運(yùn)特性，準(zhǔn)確地理解表面的物理性質(zhì)，而商業(yè)STM配備的低溫、強(qiáng)磁場(chǎng)、超高真空等環(huán)境也能夠?yàn)樵浑娸斶\(yùn)測(cè)量提供所需的實(shí)驗(yàn)環(huán)境

4、。此外，我們開(kāi)發(fā)了與原位四探針測(cè)量配套的電輸運(yùn)測(cè)量電路以及自動(dòng)測(cè)量程序。原位四探針電輸運(yùn)測(cè)量電路的電阻分辨率達(dá)到100 n?，對(duì)銅氧化物高溫超導(dǎo)體的測(cè)試表明，該系統(tǒng)具備測(cè)量超導(dǎo)體的零電阻轉(zhuǎn)變的能力，所得臨界溫度與預(yù)期結(jié)果非常符合。我們成功搭建了世界上首臺(tái)能夠在低至0.4 K的低溫和高至11 T的強(qiáng)磁場(chǎng)下具備原位分子束外延（MBE）生長(zhǎng)、原位STM形貌及局域電子態(tài)表征，并且包含原位微區(qū)四探針電輸運(yùn)測(cè)量功能的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)體現(xiàn)了強(qiáng)大的

5、表面物理研究能力，為系統(tǒng)性研究新奇低維材料提供了良好的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。
　　界面效應(yīng)在實(shí)驗(yàn)中被發(fā)現(xiàn)可以誘導(dǎo)超導(dǎo)電性，甚至可以增強(qiáng)超導(dǎo)提高臨界溫度，并且在器件應(yīng)用中有巨大的潛在價(jià)值。最近對(duì)鈦酸鍶（STO）襯底上的單層FeSe薄膜的研究發(fā)現(xiàn)了將近20 meV的超導(dǎo)能隙，意味著這個(gè)體系可能具有80 K以上的超導(dǎo)臨界溫度。本文利用自主開(kāi)發(fā)的兼容STM的原位四探針電輸運(yùn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在STO襯底上生長(zhǎng)了單層FeSe薄膜，并且對(duì)其界面超導(dǎo)電性進(jìn)行了

6、原位測(cè)量，主要得到以下結(jié)果：
　　(1)利用MBE方法在Nb摻雜的STO襯底上成功生長(zhǎng)了高質(zhì)量的單層FeSe薄膜。采用Se分子束蝕刻方法，對(duì)Nb摻雜的STO襯底進(jìn)行了高溫退火處理，并得到了臺(tái)階平整的襯底表面。通過(guò)RHEED對(duì)單層FeSe薄膜的MBE生長(zhǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析發(fā)現(xiàn)，單層FeSe薄膜的生長(zhǎng)模式為二維層狀生長(zhǎng)模式，與STM得到的不同覆蓋率下的表面形貌體現(xiàn)的生長(zhǎng)模式一致。Nb摻雜STO上生長(zhǎng)的單層FeSe薄膜樣品利用STM觀察

7、，呈現(xiàn)原子級(jí)平整的表面以及四重對(duì)稱(chēng)的四方晶格，晶格常數(shù)為3.8?和5.3?。此外，利用酸腐蝕方法處理絕緣STO襯底，并嘗試在絕緣STO襯底上生長(zhǎng)了單層FeSe薄膜，發(fā)現(xiàn)Sr截止面上的FeSe呈現(xiàn)出與Ti截止面上四方晶格不同的六角相，并且以三維生長(zhǎng)方式堆積，使得四方相的FeSe薄膜無(wú)法連續(xù)地在臺(tái)階上生長(zhǎng)。STO襯底上單層FeSe薄膜的生長(zhǎng)和表面結(jié)構(gòu)表征對(duì)于理解其電子結(jié)構(gòu)、超導(dǎo)電性的起源以及電輸運(yùn)性質(zhì)有非常重要的意義。
　　(2)利用

8、新開(kāi)發(fā)的原位四探針電輸運(yùn)測(cè)量系統(tǒng)，成功地探測(cè)到了Nb摻雜STO襯底上單層FeSe薄膜的零電阻態(tài)，并且一直維持到109 K。臨界電流隨著溫度的變化關(guān)系符合Ginzburg-Landau（G-L）理論模型，并且給出了相符的超導(dǎo)臨界溫度。為了驗(yàn)證外磁場(chǎng)能夠抑制超導(dǎo)電性，不同磁場(chǎng)下Nb摻雜STO襯底上單層FeSe薄膜的電輸運(yùn)性質(zhì)的測(cè)量發(fā)現(xiàn)，臨界電流和臨界溫度都隨著外磁場(chǎng)的增大而減小。恒定溫度的磁場(chǎng)變化實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了臨界磁場(chǎng)的存在，并且估計(jì)了上臨界