拓?fù)涑瑢?dǎo)體及小超導(dǎo)體的生長與stm研究

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1、申請上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文拓?fù)涑瑢?dǎo)體及小超導(dǎo)體的生長與STM研究學(xué)校：上海交通大學(xué)院系：物理與天文系班級：A1007291學(xué)號：0100729014博士研究生：徐金朋專業(yè)：物理學(xué)導(dǎo)師Ⅰ：賈金鋒（教授）導(dǎo)師Ⅱ：劉燦華（特別研究員）上海交通大學(xué)物理與天文系2014年11月萬方數(shù)據(jù)萬方數(shù)據(jù)ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofPhilosophyDoctorTHEGROWTHANDTHESTUDYOFTOPOLOGICALSUPERCO

2、NDUCTORANDSMALLSUPERCONDUCTORBYSTMAuthor：Jin-PengXuSpecialty:PhysicsAdvisorⅠ:Prof.Jin-FengJiaAdvisorⅡ:Prof.CanhuaLiuDepartmentofPhysicsandAstronomyShanghaiJiaoTongUniversityShanghai,P.R.ChinaNovember,2014萬方數(shù)據(jù)萬方數(shù)據(jù)上海交通大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留

3、并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)上海交通大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。保密□，在_____年解密后適用本授權(quán)書。本學(xué)位論文屬于不保密□。（請?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“√”）學(xué)位論文作者簽名：指導(dǎo)教師簽名：日期：年月日日期：年月日萬方數(shù)據(jù)萬方數(shù)據(jù)上海交通大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其

4、他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名：日期：年月日萬方數(shù)據(jù)萬方數(shù)據(jù)萬方數(shù)據(jù)萬方數(shù)據(jù)摘要拓?fù)涑瑢?dǎo)體及小超導(dǎo)體的生長與STM研究摘要在拓?fù)浣^緣體中引入超導(dǎo)可以形成拓?fù)涑瑢?dǎo)，這不僅是一種新的拓?fù)洮F(xiàn)象，而且，對Majorana費(fèi)米子的探索和實(shí)現(xiàn)以及未來拓?fù)淞孔佑?jì)算的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義，本論文將人工構(gòu)造的拓?fù)涑瑢?dǎo)體作為研究對象之一，首先從晶體生長的角度，利用分子束外延（MBE）的生長方法研究了超導(dǎo)體/拓

5、撲絕緣體異質(zhì)結(jié)的生長，制備出了高質(zhì)量的超導(dǎo)體/拓?fù)浣^緣體異質(zhì)結(jié)。然后從超導(dǎo)特性和電子結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，利用掃描隧道顯微譜技術(shù)（STS）研究拓?fù)浔砻鎽B(tài)的轉(zhuǎn)變和超導(dǎo)鄰近效應(yīng)誘導(dǎo)的非常規(guī)的超導(dǎo)特性行為，證明了我們構(gòu)造的超導(dǎo)體/拓?fù)浣^緣體異質(zhì)結(jié)為拓?fù)涑瑢?dǎo)體。再次我們利用STS研究了在異質(zhì)結(jié)表面的超導(dǎo)渦旋中心束縛態(tài)的空間分布，找到了Majorana費(fèi)米子束縛態(tài)存在的證據(jù)。二維的超導(dǎo)薄膜中因?yàn)樵诘谌齻€(gè)維度的限制有明顯的量子尺寸效應(yīng)，在此基礎(chǔ)上我們在面內(nèi)的二維方向?qū)悠烦叽缭偌右赃M(jìn)一步的限制，利用MBE晶體生長方法制備了高質(zhì)量的三個(gè)維度方

6、向都受到限制的小尺寸超導(dǎo)體，然后用STS研究了其超導(dǎo)特性。本論文主要研究內(nèi)容及成果展開如下：第I頁萬方數(shù)據(jù)摘要1.在超高真空中，我們在解理的潔凈s波超導(dǎo)體NbSe2襯底表面，利用MBE生長了高質(zhì)量的Bi2Te3拓?fù)浣^緣體薄膜。我們找出生長Bi2Te3ooo薄膜的最佳生長條件為：TBi=450C；TTe=250C；TSi=250C，生長速率為0.33層/分鐘。然后我們用掃描隧道顯微鏡（STM）表征薄膜的表面形貌，確定薄膜的層狀生長模式，且在薄膜表面的原子分辨圖像中沒有缺陷或雜質(zhì)，證明了Bi2Te3薄膜的高質(zhì)量。利用STS我

7、們研究了其電子結(jié)構(gòu)隨著層厚的變化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)薄膜的厚度達(dá)到3QL之后，拓?fù)浔砻鎽B(tài)形成。然后我們研究了超導(dǎo)鄰近效應(yīng)在薄膜中誘導(dǎo)的超導(dǎo)能隙，通過BCS理論擬合發(fā)現(xiàn)在拓?fù)浔砻鎽B(tài)形成之后，誘導(dǎo)的超導(dǎo)能隙為非常規(guī)超導(dǎo)，證明了該異質(zhì)結(jié)構(gòu)為拓?fù)涑瑢?dǎo)體。最后我們研究了薄膜的超導(dǎo)渦旋以及超導(dǎo)相干長度隨薄膜厚度和磁場的變化關(guān)系。2.在高質(zhì)量的Bi2Te3/NbSe2拓?fù)涑瑢?dǎo)薄膜中，我們利用STS研究薄膜表面超導(dǎo)渦旋中心束縛態(tài)的空間分布。在0.4K0.1T磁場下，不同的厚度的薄膜上超導(dǎo)渦旋中束縛態(tài)都有能級劈裂。通過對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)薄膜的厚度小于4QL

8、時(shí)，薄膜超導(dǎo)渦旋中心束縛態(tài)的能級劈裂都是從超導(dǎo)渦旋中心開始的，和s波超導(dǎo)特性是一樣的，說明我們觀察到的為常規(guī)的超導(dǎo)束縛態(tài)。而當(dāng)薄膜厚度的增加到4QL時(shí)，超導(dǎo)渦旋中心束縛態(tài)零偏壓電導(dǎo)峰的能級劈裂變成不從超導(dǎo)渦旋中心開始。理論研究發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體/拓?fù)浣^緣體/超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中的Majorana費(fèi)米子束縛態(tài)在超導(dǎo)渦旋中心周第II頁