本文關(guān)鍵詞：鐵電與鐵基超導薄膜的MBE生長與STM研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：納米厚度薄膜常常展示不同于體材料的特異性質(zhì),其可控制備和精確表征對相關(guān)的基礎(chǔ)研究和應用探索非常關(guān)鍵。在本論文中,我們利用分子束外延技術(shù)生長了Pb1-x SnxTe(001)鐵電薄膜和Li Fe As(001)超導薄膜,并利用低溫掃描隧道顯微鏡和掃描隧道譜對它們的形貌、原子和電子結(jié)構(gòu)等進行了原位表征。論文主要成果如下:(1)我們在6H-Si C(0001)襯底上的石墨烯表面制備了無應力的Sn Te薄膜,發(fā)現(xiàn)當其厚度僅為一個晶胞(UC)時,薄膜仍然具有面內(nèi)自發(fā)極化,其臨界溫度TC為270 K,比體材料高至少1.7倍。2~4 UC厚的薄膜在室溫下就表現(xiàn)出明確的鐵電性。變溫實驗表明,Sn Te薄膜(1 UC)在相變點附近具有二級相變的行為。在此基礎(chǔ)上,我們提出了一種基于二維鐵電薄膜的鐵電存儲器件,并利用掃描隧道顯微鏡模擬了數(shù)據(jù)讀取過程,測得3 UC薄膜在4.7K下的開關(guān)比達到3000。(2)鐵電Pb1-x SnxTe薄膜是一個中心反演對稱性破缺和強自旋-軌道耦合的二維體系。通過對其晶體對稱性的分析,我們推測其能帶中垂直于面內(nèi)自發(fā)極化的谷將發(fā)生相反的自旋劈裂,而平行于面內(nèi)自發(fā)極化的谷保持自旋簡并。我們在Pb0.5Sn0.5Te鐵電薄膜的準粒子干涉圖樣中觀察到了價帶頂附近自旋劈裂導致的背散射禁戒,其劈裂能量超過220 me V。該研究表明原子級厚度鐵電薄膜可能會成為一類新的谷電子學材料。(3)中心反演對稱破缺和強自旋軌道耦合可以在一維體系中引起能帶的谷相關(guān)的自旋劈裂。我們在原子級厚度的Sn Te薄膜邊緣觀察到了能帶彎曲誘導的一維邊緣態(tài),其一維準粒子干涉圖樣表現(xiàn)出有能帶選擇性的散射。我們通過一個有谷相關(guān)自旋劈裂的能帶模型很好地解釋了該散射現(xiàn)象。(4)我們系統(tǒng)研究了在Nb摻雜的Sr Ti O3(100)襯底上高質(zhì)量單晶Li Fe As薄膜的分子束外延制備,利用原位的掃描隧道顯微鏡和非原位的輸運測量研究了薄膜的超導電性。原位的低溫(4.7 K)掃描隧道譜表明,當薄膜厚度大于4 QL時,超導能隙開始出現(xiàn),而厚度在13 QL以上的薄膜與體材料性質(zhì)類似,超導能隙約為7 me V。在100 QL薄膜上進行的非原位輸運實驗給出超導轉(zhuǎn)變溫度Tc=16 K,上臨界場Hc2=13.0 T。
【關(guān)鍵詞】：鐵電薄膜 鐵基超導薄膜 掃描隧道顯微鏡 分子束外延
【學位授予單位】：清華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O484.1
【目錄】：

• 摘要3-4
• abstract4-10
• 第1章 引言10-21
• 1.1 量子界面效應10-13
• 1.1.1 界面超導10-12
• 1.1.2 界面鐵電增強12-13
• 1.2 二維材料中的各種量子霍爾態(tài)13-18
• 1.2.1 量子霍爾效應14-15
• 1.2.2 量子自旋霍爾效應15-17
• 1.2.3 量子反�；魻栃�17-18
• 1.3 一維材料中的電子強關(guān)聯(lián)效應18-21
• 第2章 實驗儀器和原理21-43
• 2.1 掃描隧道顯微鏡21-28
• 2.1.1 STM的基本原理21-23
• 2.1.2 STM的結(jié)構(gòu)23-26
• 2.1.3 掃描隧道譜26-27
• 2.1.4 STM針尖的制備27-28
• 2.2 稀釋制冷技術(shù)28-34
• 2.2.1 稀釋制冷的基本原理28-30
• 2.2.2 稀釋制冷機的結(jié)構(gòu)30-32
• 2.2.3 稀釋制冷機的操作流程32-34
• 2.3 超高真空技術(shù)34-38
• 2.4 超導強磁場技術(shù)38-39
• 2.5 分子束外延技術(shù)39-43
• 第3章 無應力原子級厚度Sn Te鐵電薄膜的生長與表征43-77
• 3.1 鐵電薄膜研究背景43-55
• 3.1.1 關(guān)于鐵電性的基本概念43-47
• 3.1.2 原子級厚度的鐵電薄膜：理論研究47-49
• 3.1.3 原子級厚度的鐵電薄膜：實驗研究49-52
• 3.1.4 鐵電隨機存儲器52-55
• 3.2 Sn Te體材料的鐵電和拓撲性質(zhì)55-57
• 3.3 原子級厚度Sn Te薄膜的van der Waals外延生長57-61
• 3.4 對單層Sn Te薄膜鐵電性的表征61-67
• 3.4.1 單層Sn Te薄膜的條狀疇結(jié)構(gòu)與晶格畸變62-63
• 3.4.2 自發(fā)極化誘導的能帶彎曲63-65
• 3.4.3 各種類型的疇界65-67
• 3.4.4 利用偏壓脈沖實現(xiàn)自發(fā)極化反轉(zhuǎn)67
• 3.5 原子級厚度Sn Te薄膜中的鐵電TC增強67-72
• 3.5.1 利用布拉格峰的劈裂推導畸變角68-69
• 3.5.2 Sn Te薄膜的室溫鐵電性69-70
• 3.5.3 對于導致TC變化的物理機制的初步討論70-72
• 3.6 面內(nèi)極化的鐵電薄膜在存儲器件中的應用72-76
• 3.6.1 器件原理72-74
• 3.6.2 利用掃描隧道顯微鏡模擬測量器件開關(guān)比74-76
• 3.7 本章小結(jié)76-77
• 第4章 單層Pb1 ? xSnxTe薄膜二維能帶谷相關(guān)的自旋劈裂77-90
• 4.1 研究背景77-81
• 4.1.1 有強自旋 -軌道耦合的二維中心對稱破缺系統(tǒng)78-79
• 4.1.2 自旋霍爾效應與谷霍爾效應79-80
• 4.1.3 對單層Mo S2及類似材料的實驗驗證80-81
• 4.2 鐵電Sn Te薄膜能帶自旋劈裂的對稱性分析81-84
• 4.3 單層Pb1?x SnxTe薄膜中組分調(diào)控的順電 -鐵電相變84-85
• 4.4 單層鐵電Pb0.5Sn0.5Te薄膜與順電Pb0.75Sn0.25Te薄膜散射波矢的對比85-88
• 4.5 初步的第一性原理計算驗證88-89
• 4.6 本章小結(jié)89-90
• 第5章 鐵電Sn Te薄膜邊緣態(tài)谷相關(guān)的自旋劈裂90-99
• 5.1 研究背景90-92
• 5.2 能帶彎曲誘導的一維邊緣態(tài)92-94
• 5.3 有能帶選擇性的一維準粒子散射和能帶的自旋劈裂94-98
• 5.4 本章小結(jié)98-99
• 第6章 超導Li Fe As薄膜的生長與表征99-109
• 6.1 研究背景99-101
• 6.2 Li Fe As薄膜的生長方法與生長機制研究101-104
• 6.3 薄膜形貌和超導能隙隨層厚的變化104-107
• 6.4 輸運測量107
• 6.5 本章小結(jié)107-109
• 第7章 結(jié)論109-111
• 參考文獻111-125
• 致謝125-127
• 個人簡歷、在學期間發(fā)表的學術(shù)論文與研究成果127-128

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