场效应管栅压调控(Li,Fe)OHFeSe和FeSe超导电性及相变研究

摘要

化学掺杂是一种向固体材料引进载流子的有效方法。通过化学掺杂，在铜基超导体和铁基超导体中诱导出了高温超导电性，前者是抑制了反铁磁有序，后者是抑制了自旋密度波有序。然而，元素替换改变载流子浓度的范围非常有限，而且在体系中引入许多无序，从而使很多有意思的本征现象没有观察到。近年来，在二维系统中应用场效应管调控载流子浓度是一种有效的控制材料性质的方式，并且这种调控是可逆的。这样的一种静电掺杂调控载流子浓度的方法可以让我们非常理想地研究新型物相，而这些物相使用材料合成方法一般是难以实现的。场效应管器件已经广泛应用于探索新超导体、新器件的制备以及半导体工业中。
　　在本论文中，我们合成了高质量的(Li，Fe)OHFeSe单晶，使用离子液体栅压调控技术对(Li，Fe)OH-FeSe薄层样品进行了强电荷掺杂，观察到了一个从超导体到AFM绝缘体的一级相变。随着栅压诱导的电子掺杂，样品的超导转变温度持续提高，最大达到了43K。令人惊奇的是，超导绝缘体转变就发生在毗邻最佳超导处。我们还生长了高质量的FeSe单晶，使用离子液体栅压调控技术，系统研究了FeSe薄层样品超导电性随着载流子浓度的变化关系。随着栅压控制电子掺杂，原本超导转变温度低于10K的FeSe薄层中观察到了48K的超导转变上临界温度，并伴随着发生了Lifshitz转变。同时我们还发展了一种新型的场效应管器件，使用固体离子导体做栅介质，通过栅压控制锂离子嵌入或脱出FeSe薄层样品，可以控制FeSe薄层的载流子浓度。随着插入Li含量的增加，我们观察到了一个圆拱形的超导相图，最佳超导转变温度为46.6K，在极度过掺杂区域，样品变为了绝缘体。
　　本论文共分为以下四章:
　　1.绪论
　　本章简单回顾了场效应管栅压调控技术的研究历程，重点介绍了传统的电双层场效应管以及最新发展起来的固体离子导体基场效应管，简要总结了栅介质的种类以及可能的应用，并比较了它们的优点和不足，着重关注了栅压调控和诱导超导电性。
　　2.(Li,Fe)OHFeSe薄层中栅压调控的超导-绝缘体转变
　　在非常规超导体的基础研究中，反铁磁绝缘体到超导体的转变一直是科学家们关注的焦点。然而，在铁基高温超导体中，到目前为止还没有观察到本征的超导体到绝缘体的转变。在本章中，我们使用离子液体栅压调控技术对(Li，Fe)OHFeSe薄层样品进行了强电荷掺杂，观察到了一个从超导体到AFM绝缘体的一级相变。随着栅压诱导的电子掺杂，样品的超导转变温度持续提高，最大达到了43K。令人惊奇的是，超导绝缘体转变就发生在毗邻最佳超导处。我们画出了超导转变温度随栅压的相图，表明超导-绝缘体转变对于非常规超导体而言是一个共同的特征。这些结果有助于揭示铁基超导电性的基本物理机制和高温超导电性的普适机制。我们的发现同时也表明，栅压控制的电荷掺杂使得以超越传统方法的方式探索新物态成为了可能。
　　3.FeSe薄层中电子掺杂诱导的高温超导电性
　　在本章中，我们使用离子液体栅压调控技术，系统研究了FeSe薄层样品超导电性随着载流子浓度的变化关系。随着栅压控制电子掺杂，原本超导转变温度低于10K的FeSe薄层中观察到了48K的超导转变上临界温度。这是第一次在没有外压或外延界面的情况下，实现了如此高的超导转变。它确切证明了简单的电子掺杂过程能够在FeSe中实现48K的高温超导电性。有趣的是，我们的数据也表明，样品是突然从低Tc超导相变成了高Tc超导相，并伴随着发生了Lifshitz转变。这些结果有助于我们建立一个统一图像来理解所有FeSe衍生类超导体的高温超导电性，为进一步追求更高Tc指明了方向。
　　4.基于固体离子导体基场效应管的栅压调控FeSe薄层的超导和结构相交
　　本章中，我们发展了一种新型的场效应管器件，使用固体离子导体做栅介质，通过栅压控制锂离子嵌入或脱出FeSe薄层样品，可以控制FeSe薄层的载流子浓度，进而控制FeSe的超导转变温度以及相变。随着插入Li含量的增加，我们观察到了一个圆拱形的超导相图，最佳超导转变温度为46.6K，在极度过掺杂区域，样品变为了绝缘体。同时，我们观察到了由于锂离子插入导致的结构变化。我们的研究表明，使用固体离子导体作栅介质构建的场效应管器件能够诱导更高浓度的载流子掺杂，适合很多表面敏感的测量技术，能稳定通常方法得不到的亚稳结构相。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 场效应管栅压调控技术简介

1．2 电双层场效应管

1．2．1．栅介质

1．2．2．通道材料的制备

1．2．3．电双层场效应管的应用

1．3 固体离子导体基场效应管

1．3．1．质子导体基场效应管

1．3．2．氧离子导体基场效应管

1．3．3．锂离子导体基场效应管

1．3．4．钠离子导体基场效应管

参考文献

第2章 (Li，Fe)OHFeSe薄层中栅压调控的超导-绝缘体转变

2．1 引言

2．2 实验细节

2．3 实验结果及讨论

2．4 补充实验及讨论

2．4．1．栅压调控前样品的超导电性

2．4．2．(Li，Fe)OHFeSe器件调控的迟滞行为和可逆性

2．4．3．霍尔电阻Rxy温度和磁场依赖关系

2．4．4．(Li，Fe)OHFeSe样品XRD表征

2．4．5．(Li，Fe)OHFeSe样品栅压调控前后XRD和Raman谱

2．4．6．(Li，Fe)OHFeSe超导和绝缘样品的磁阻

2．5 本章小结

参考文献

第3章 FeSe薄层中电子掺杂诱导的高温超导电性

3．1 引言

3．2 实验细节

3．3 实验结果及讨论

3．4 补充实验及讨论

3．4．1．FeSe单晶的表征

3．4．2．FeSe薄层的厚度表征

3．4．3．栅压诱导的高Tc相

3．4．4．在栅压调控下样品霍尔电阻的演化

3．5 本章小结

参考文献

第4章 基于固体离子导体基场效应管的栅压调控FeSe薄层的超导和结构相变

4．1 引言

4．2 实验细节

4．2．1．器件制备

4．2．2．输运测量

4．2．3．原位XRD测量

4．2．4．原位XPS测量

4．2．5．原位XANES测量

4．2．6．确定插层锂离子的数量

4．3 实验结果与讨论

4．4 补充实验及讨论

4．4．1．锂离子插层过程中霍尔电阻的演化

4．4．2 不同栅压调节方式得到最佳超导

4．4．3．FeSe薄层的原位XRD

4．4．4．FeSe薄层的原位XPS

4．4．5．FeSe薄层的原位XANES

4．4．6．计算栅压调控下插入样品中锂离子的数量

4．5 本章小结

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果