界面超导体系的电子结构和超导电性研究

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界面超导电性是凝聚态物理中一个热门的研究课题,而异质界面因其新奇的量子效应在科学研究和工业应用中都发挥着重要的作用。在本论文中,我们利用分子束外延技术成功的构造出若干异质结构,并利用低温扫描隧道显微镜研究了它们的电子结构和超导电性。我们对单层FeSe/STO界面高温超导体进行了超高真空低温退火实验,通过扫描隧道显微镜对其表面形貌、原子分辨图像和电子结构的演化进行了表征,观察到了全新的表面重构相和系统的超导-绝缘-金属-超导演化过程。通过控制退火条件,解决了在高温退火过程中第二层FeSe的去向的问题。我们发现,第二层FeSe在高温下以分子形式扩散到局部温度较低的区域,很难被观察到。相反,在低温退火过程中,由于浓度梯度占主要作用,第二层FeSe会重新扩散到样品中心而被扫描隧道显微镜观测到。我们的实验还证明,过量的Se相对于Fe空位而言更有可能导致FeSe表面的重构。该研究对FeSe薄膜的生长动力学提供了新的信息,有助于更系统地理解FeSe高温超导的机理。我们在碳化硅外延双层石墨烯衬底上成功制备出单层半导体SnSe_2薄膜,并发现了其超导电性。变温实验表明,其超导转变温度为4.84K,磁场下的涡旋态显示其相干长度为17.2nm。通过异质界面调控,我们证明其超导电性起源于SnSe_2与石墨烯界面。界面处的能带弯曲导致电荷转移并形成二维电子气,这是界面超导电性产生的原因。这是第一个基于SnSe_2范德瓦尔斯异质结的超导体系,对设计新的界面超导体系提供了思路。我们在Si(111)和STO(001)衬底上制备出单层的SnSe_2薄膜,并通过扫描隧道显微镜对其电子结构进行了研究。我们发现这两种异质结构在低温下都呈现出半导体的性质,并观察到了2×2周期的电荷密度波。由于体相SnSe_2中不存在电荷密度波,我们证明这是由于异质界面诱导产生的,不能用传统的费米面嵌套理论解释。我们认为增强的电子-声子相互作用和界面处电荷转移在电荷密度波的形成过程中发挥了主要作用。我们通过设计制备基于单层SnSe_2的异质结界面体系,实现了对物性的调控,分别观察到了电荷密度波与超导电性,这对于研究超导与电荷密度波的关系以及理解异质界面的新奇物理现象具有重要意义。
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