铁电In2Se3及超导铁电异质结Pb/In2Se3的扫描隧道显微镜研究

作     者：刘姿 

作者单位：中国科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：秦胜勇

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：扫描隧道显微镜 原子缺陷 电子结构 超导/铁电异质结 量子阱态 

摘      要：In2Se3是一种二维铁电材料,具有相互关联的面内与面外铁电极化,在外电场的作用下其极化方向可以发生翻转,在场效应晶体管、非易失存储器、相变随机存储器以及光电探测器等领域都有重要的应用前景。在材料生长制备过程中,缺陷的产生是不可避免的,原子空位或缺陷的出现会影响铁电材料的电子结构和电荷分布,进而对其铁电极化产生复杂的影响,因此进一步理解缺陷对其电子结构的调控作用已成为铁电功能材料技术应用的关键前提。同时层状二维铁电材料可以与不同类型的材料堆叠组成范德瓦尔斯异质结,其外加电场翻转极化方向的特性为调节材料物性提供了新的手段。在本论文中,以扫描隧道显微镜(STM)作为主要研究手段,对二维铁电材料In2Se3的原子结构以及缺陷对其电子结构的影响进行研究;并进一步利用分子束外延(MBE)技术在In2Se3表面生长Pb超导薄膜材料构筑超导/铁电异质结Pb/In2Se3,探究In2Se3铁电性对Pb电子结构以及超导特性的影响。在第一章中,首先介绍铁电材料的特性、铁电极化产生的内在机理以及二维铁电材料的研究进展,其次对In2Se3的结构、物性以及在异质结中产生的效应进行总结。在第二章中,介绍研究中所使用的实验方法及实验设备,包括超高真空设备、MBE生长技术、拉曼光谱以及STM的工作原理和主要构造。在第三章中,展示In2Se3样品的表面形貌、原子结构、电子结构及缺陷。利用STM首次在实空间观察到α-In2Se3和β’-In2Se3两相共存的现象,高分辨率原子STM形貌图显示α-In2Se3表面存在不平整的缺陷,但具有完整的最上层Se原子六方晶格,这说明α-In2Se3存在非长程有序的下层原子缺陷。通过对α-In2Se3不同位置取微分电导谱(STS),揭示下层原子缺陷产生了空穴掺杂效应,并且可以调整样品局部位置的电子结构。其次对于β’-In2Se3,STM表征揭示其具有无缺陷的周期性纳米条纹结构。在第四章中,介绍α-In2Se3对Pb量子阱态(QWS)和超导转变温度(Tc)的影响。高分辨率STM图像显示Pb薄膜具有1 × 1的晶格结构,并显示出周期为2.5 nm的摩尔超晶格结构,这是由Pb和α-In2Se3的晶格含有11.3°的转角所致。相应的STS谱表明α-In2Se3衬底上的Pb薄膜不存在QWS,并且在4.5 K的温度下并未观察到Pb薄膜的超导态,Pb薄膜电子结构和超导性发生改变的机理有待进一步研究。在第五章中,对本论文的主要研究内容和结果进行总结,并对未来的研究方向进行展望。