【摘 要】
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扫描隧道显微学（STM）,作为可以窥探原子的手段,自20世纪80年代发明以来,已经成为凝聚态物理学中一项有力的实验方法。本论文首先介绍了作者在搭建一台低温强磁场旋转STM/AFM系统中的工作,然后介绍了作者利用该系统,对三个材料进行研究的结果。传统矢量场STM利用筒磁+裂磁设计,难以实现高于3 T的矢量场。我们利用压电步进电机,实现了扫描头的旋转,从而实现了9 T的“矢量场”,远超传统的矢量场ST
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
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扫描隧道显微学（STM）,作为可以窥探原子的手段,自20世纪80年代发明以来,已经成为凝聚态物理学中一项有力的实验方法。本论文首先介绍了作者在搭建一台低温强磁场旋转STM/AFM系统中的工作,然后介绍了作者利用该系统,对三个材料进行研究的结果。传统矢量场STM利用筒磁+裂磁设计,难以实现高于3 T的矢量场。我们利用压电步进电机,实现了扫描头的旋转,从而实现了9 T的“矢量场”,远超传统的矢量场STM的工作范围。通过自主设计的针尖托结构,兼容了STM针尖托和q Plus传感器。并且自主设计制作了1 K液池制冷机,利用氦4实现了最低1.25 K的低温。在搭建这台低温强磁场旋转STM/AFM系统的过程中,本文作者的主要工作有,旋转扫描头的定位装置设计和研发,改进了q Plus传感器的接线方式,1 K液池制冷机热声振荡的减弱与消除,滤波器设计与接线,前置放大器的设计制作,以及整套系统的调试工作。近年来,因为拥有很高的超导转变温度（Tc）,Fe（Te,Se）/Sr Ti O3单层膜得到了大量的研究和讨论。但一些基本的问题,比如退火和超导电性的关系,晶格缺陷对超导电性的影响,乃至晶格缺陷的微观结构等,目前并没有形成共识。我们利用STM的极高实空间分辨率和原子操纵能力,研究了Fe（Te,Se）/Sr Ti O3单层膜的晶格缺陷和退火过程。我们发现,通常被认为是表面Se原子缺位的四叶草型缺陷可能有更复杂的微观结构,其下方的Fe原子晶格可能并不完整。另外,我们在安装有Se源的MBE腔中对Fe Te/Sr Ti O3单层膜进行退火,发现Se元素的比例会逐渐变高,甚至出现超导的迹象。因此在处理Fe（Te,Se）/Sr Ti O3单层膜的化学配比时需要小心。2H-Nb Se2和Fe（Te,Se）分别是典型的常规和非常规超导体材料。我们使用分子束外延生长（MBE）技术成功在2H-Nb Se2单晶表面生长出了Fe（Te,Se）薄膜,并使用STM研究了二者的界面性质。我们在Fe Te/2H-Nb Se2和Fe Se/2H-Nb Se2薄膜上都观察到了薄膜和衬底晶格之间形成的莫尔条纹。这些莫尔条纹在AFM形貌图中不出现,说明STM观测到的莫尔条纹不是起源于晶格畸变。我们在Fe Te/2H-Nb Se2单层膜表面完全没有看见1×2调制存在的迹象,而在双层及以上的Fe Te膜表面可以看见明显的1×2调制,说明1×2调制被Fe Te和2H-Nb Se2之间的界面压制了。在Fe Te单晶和薄膜中,类似的1×2调制一般被认为和其反铁磁序有关。同时,我们发现Fe Se/2H-Nb Se2单层膜表面有超导电性的迹象,拥有约7K的Tc。本征磁性拓扑绝缘体不需要进行磁性原子掺杂,因而没有掺杂原子带来的不均匀性,有望在更高温度实现新奇的宏观量子态,如量子反常霍尔绝缘体（QAHI）和拓扑轴子态（AXI）等。目前对本征磁性拓扑绝缘体的研究主要集中在Mn Bi2nTe3n+1（n=1,2,3）族化合物,而对别的体系研究较少。我们使用STM/STS研究了另一族本征磁性拓扑绝缘体Eu Sn2Pn2（Pn=P或As）。我们发现Eu Sn2Pn2中,表面的杂质对局域的电子结构有较大的影响。另外,我们在STS中还观察到了一个峰+谷特征。结合变温变场的STM/STS实验和磁化率实验,我们发现这个峰+谷特征只在温度低于奈尔温度,且磁场小于饱和场时存在。这一结果暗示了这个峰+谷特征与反铁磁序的密切联系。
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