單晶表面上超薄量子二維材料的制備與表征.pdf

1、超薄量子二維材料具備許多宏觀體材料中沒有的新穎特性，人們在二維單層石墨烯材料中發(fā)現(xiàn)了狄拉克費米子，在類石墨烯材料“硅烯”中發(fā)現(xiàn)與石墨烯類似的性質(zhì)，以及在二維超導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)了非平庸的高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，這些超薄二維材料具有十分優(yōu)異的物理性質(zhì)、超高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，或者無能量耗散的電傳導(dǎo)，這在半導(dǎo)體行業(yè)以及量子器件等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。在本論文中，我們利用分子束外延技術(shù)（MBE）成功在Ag(111)襯底上制備出高質(zhì)量的二維單層硅烯薄膜以及在S

2、rTiO3(001)襯底上制備出單層 FeSe薄膜，并通過掃描隧道顯微鏡（STM）研究了這兩種二維材料的形貌、原子與電子結(jié)構(gòu)。本論文主要研究成果如下：
　　(1)在Ag(111)上的硅烯薄膜呈現(xiàn)多種超結(jié)構(gòu)相，這些復(fù)雜的超結(jié)構(gòu)相困擾研究者們多年。通過極低溫 STM，對多相共存的硅烯超結(jié)構(gòu)做了細(xì)致的觀察，發(fā)現(xiàn)(4×4)和(√13×√13)這兩種超結(jié)構(gòu)中，總共有五種不同原子排列的硅烯超結(jié)構(gòu)相，分別命名為(4×4)?α、(4×4)?β、(

3、√13×√13)?α、(√13×√13)?β和(√13×√13)?γ。其中(4×4)?β和(√13×√13)?γ對應(yīng)于之前理論預(yù)言的兩種亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，(√13×√13)?β沒有長程有序的翹曲結(jié)構(gòu)，這三種超結(jié)構(gòu)都是在實驗中首次被觀測到。同時以高分辨的原子相為依據(jù)，確定了(√13×√13)?α，(√13×√13)?β超結(jié)構(gòu)的真實原子結(jié)構(gòu)排列，在多種理論計算結(jié)構(gòu)模型中確定了最合適的模型，從而解決了近年來該研究領(lǐng)域?qū)柘┙Y(jié)構(gòu)認(rèn)識中的許多分歧。發(fā)現(xiàn)

4、硅烯(2√3×2√3)超結(jié)構(gòu)是一種非平衡相，特別容易形成大量的缺陷，并且(2√3×2√3)超結(jié)構(gòu)只能在局域范圍內(nèi)形成非常完整的結(jié)構(gòu)，而無法形成長程有序態(tài)。此外，(2√3×2√3)超結(jié)構(gòu)在生長時存在內(nèi)擴(kuò)散過程，硅原子會進(jìn)入到Ag(111)的次表面，形成(2√3×2√3)超結(jié)構(gòu)合金。
　　(2)利用MBE技術(shù)，在SrTiO3(001)襯底上成功生長出高質(zhì)量的單層FeSe薄膜。由于FeSe與SrTiO3(001)襯底的晶格失配，SrTi

5、O3(001)襯底上生長的單層FeSe薄膜上存在許多的帶狀疇界。通過低溫 STM研究，發(fā)現(xiàn)在樣品退火的過程中，超導(dǎo)電性首先出現(xiàn)在帶狀疇界上，隨著退火時間的增加，啞鈴狀缺陷的密度在不斷變小，并且隨著退火時間增加，多余的Se原子導(dǎo)致的啞鈴狀缺陷的密度不斷變小，F(xiàn)eSe薄膜的超導(dǎo)區(qū)域不斷變大，疇界上超導(dǎo)能隙的相干峰比疇上的更強(qiáng)。通過大范圍STS的研究，發(fā)現(xiàn)疇界上有電子摻雜作用，這有可能是疇界上超導(dǎo)增強(qiáng)的原因之一。通過啞鈴狀缺陷和疇界的高分辨原

6、子圖像，對疇界和啞鈴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)研究，建立啞鈴狀缺陷的圓球結(jié)構(gòu)模型和“之”字形的疇界結(jié)構(gòu)模型，更清晰地理解啞鈴和疇界。另外通過對疇界區(qū)域晶格的精細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)疇界區(qū)域的晶格被壓縮1.5%左右，這很有可能如同外界壓力導(dǎo)致的晶格壓縮一樣，對超導(dǎo)電性有增強(qiáng)作用，導(dǎo)致 FeSe薄膜在退火過程中超導(dǎo)電性首先出現(xiàn)在疇界區(qū)域，并且疇界上超導(dǎo)能隙的相干峰比疇上的更強(qiáng)。這些實驗結(jié)果有力地證明了疇界在單層FeSe薄膜超導(dǎo)電性增強(qiáng)上以及起源上有著非常重要的作