YBa2Cu3O7和FeSe0.5Te0.5超导性能的电学调制研究

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超导体作为一种极有可能实现新一代技术革命的材料,在国民经济、军事技术和高新技术产业等方面具有广泛应用。研究人员使用场效应晶体管结构进行电场调制,通过改变载流子浓度来调制超导体的内在特性。因为离子液体在电场传导和载流子浓度调谐中表现优异,所以其在电学调制中被广泛应用为栅极介质材料。但是目前超导薄膜的电场调制结果较为复杂,在样品制备、电学调制的优化以及电学调制对超导性质的影响方面都需要进一步的深入研究。围绕这些问题,本论文开展了以下工作:对主要载流子为空穴的YBa2Cu3O7材料进行电学调制。实验发现栅极电压可以有效调制500 nm YBa2Cu3O7样品的超导性质,并进一步实现超导-绝缘相变。本论文还发现相变过程由可逆的电学调制和不可逆的电化学调制共同决定。为了实现对YBa2Cu3O7超导性质高效可逆的调控,本论文在电学调制过程中,创新性地使用了氮化硼(BN)覆盖YBa2Cu3O7。利用BN的高稳定性结合离子液体的纳米双电层结构,既限制了YBa2Cu3O7与离子液体间的电化学反应,又提高了电学调制的效率。与传统调制方法需要在低温220 K下施加电场30分钟相比,本论文提出的BN保护法可在常温加压,可在微秒级别完成电学调制过程并且有更强的载流子调控能力。在BN的保护下,本论文在30 nm YBa2Cu3O7样品中实现了超导转变温度(Tc)在±2 K温度范围内的可控调制。对电子和空穴共存的FeSe0.5Te0.5材料进行电学调制。实验发现FeSe0.5Te0.5材料的主要载流子类型在降温过程中由电子变为空穴,并且发现FeSe0.5Te0.5材料在电学调制过程中存在“两步式超导”的现象。其可能的原因是FeSe0.5Te0.5的多带性和样品厚度的不均匀引起的载流子浓度分布不均,导致电子和空穴作为主要载流子分布于材料不同区域。厚膜样品、30-40 nm、15-25 nm和8-12 nm样品的超导转变温度依次为13.5 K、13.2 K、12.6 K和11.7 K。这是因为制备过程中气体杂质吸附在样品上,使样品内载流子的相位涨落增加,形成库伯对的载流子浓度降低,导致样品的Tc随膜厚的减小而降低。载流子浓度对超导性能的影响在电学调制过程中同样有所体现。在8-12 nm厚度的样品中,施加0 V到10 V的正向栅极电压时,样品的超导转变温度(Tc)从12 K降低至9 K,超导转变开始温度(Tcon)从12.5 K增加到14.3 K;施加0 V到5 V的反向栅极电压时,FeSe0.5Te0.5材料的Tc和Tcon都随着栅极电压的增加而降低,25 nm FeSe0.5Te0.5样品的Tc从13.6 K降低至11.6 K,9 nm FeSe0.5Te0.5样品的Tc从12.7K降低至11.8 K。FeSe0.5Te0.5材料的Tc随栅极电压的增加而降低。电子和空穴的输运行为在电学调制下相互影响是产生该现象的主要原因。综上所述,本论文利用离子液体研究了铜基和铁基超导体(YBa2Cu3O7和FeSe0.5Te0.5)超导特性的电学调制。本论文发现,通过调控样品的载流子浓度可以有效控制样品的超导转变温度。同时证实了样品的厚度和制备方法对超导体的电学调制具有重要的影响。另外,本论文提出的BN保护法可以很好地抑制离子液体与铜基超导体间的电化学反应,提高电学调制效率。该方法不仅可以应用于超导体的电学调控,也可推广应用于其他活泼二维材料的电学调制研究。
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