電気二重層トランジスタ構造を用いた新規鉄系超伝導体の探索

利用双电层晶体管结构寻找新型铁基超导体

基本信息

批准号：
17J10139
负责人：
半沢幸太
金额：
$ 1.34万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-04-26 至 2019-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

近年、極めて薄い厚みでエピタキシャル成長させることで電気的に絶縁体のように振る舞う鉄系化合物FeSeに対して、電気二重層トランジスタ構造を用いたキャリアドーピングを行うことで、バルク体で観測される超伝導臨界温度の8Kに比べて4倍ほど高い35Kの超伝導臨界温度が得られ、その要因として、チャネル層が高い表面平坦性と結晶性を有することが必要であることを明らかにしたが、その更なる理解のため、母相であるFeSeの絶縁体的な振る舞いの起源の解明を行った。分子線エピタキシー法を用いて、SrTiO3単結晶基板上に約10nmの薄い膜厚でFeSeをエピタキシャル成長させた。作成したFeSe薄膜はすべて絶縁体的な振る舞いを示したが、鉄とセレンの化学組成比に依存して、エピタキシャル歪みの導入され方、さらにはその絶縁体的な振る舞い（活性化エネルギー）に違いが見られた。角度分解光電子分光法を用いて電子構造の直接観察を行ったところ、電気的には絶縁体的に振る舞うものの、電子構造は金属的であることを突き止めた。さらにホール効果測定の結果から、そのキャリア移動度が単結晶FeSeに比べて、1桁以上小さいことを見出した。以上のことから、この絶縁体的な振る舞いの起源が金属的な電子構造から半導体的な電子構造への変化ではなく、移動度の減少であることを解明した。さらに類似化合物であるFeSの電気二重層トランジスタを作製するために、FeSのエピタキシャル薄膜成長を行った。FeSにおいて、FeSeと同一な正方晶構造は準安定相であるため、非平衡成長法の1つであるパルスレーザー堆積法を用いたエピタキシャル薄膜の作製を試み、世界で初めて、そのエピタキシャル薄膜の作製に成功した。

近年来，使用双电层晶体管结构的载流子掺杂已应用于 FeSe（一种铁基化合物，通过极薄的外延生长而表现得像电绝缘体），以实现与块体材料相比的超导性。临界温度8K我们获得了35 K的超导临界温度，大约是传统方法的四倍，并发现其原因是沟道层需要具有高的表面平坦度和结晶度，我们澄清了绝缘体的起源——类似于母相 FeSe 的行为。采用分子束外延技术在 SrTiO3 单晶衬底上外延生长 FeSe 至约 10 nm 的薄膜厚度。所有制备的 FeSe 薄膜均表现出类绝缘体行为，但根据铁和硒的化学成分比，引入外延应变的方式和类绝缘体行为（活化能）有所不同。使用角分辨光电子能谱对电子结构的直接观察表明，尽管它的电学行为类似于绝缘体，但其电子结构是金属的。此外，从霍尔效应测量结果来看，我们发现载流子迁移率比单晶FeSe低一个数量级以上。从上面我们已经澄清，这种类绝缘体行为的根源并不是从金属电子结构到类半导体电子结构的变化，而是迁移率的降低。此外，为了使用类似化合物FeS制造双电层晶体管，我们进行了FeS的外延薄膜生长。在FeS中，与FeSe相同的四方结构是亚稳态相，因此我们尝试使用脉冲激光沉积（非平衡生长方法之一）来制备外延薄膜，并且是世界上第一个制备这种外延薄膜的方法。外延薄膜成功。

项目成果

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Insulator-like behavior coexisting with metallic electronic structure in strained FeSe thin films grown by molecular beam epitaxy

分子束外延生长的应变 FeSe 薄膜中的类绝缘体行为与金属电子结构共存

DOI：
10.1103/physrevb.99.035148
发表时间：
2019
期刊：
影响因子：
3.7
作者：
Hanzawa Kota;Yamaguchi Yuta;Obata Yukiko;Matsuishi Satoru;Hiramatsu Hidenori;Kamiya Toshio;Hosono Hideo
通讯作者：
Hosono Hideo

Metastable Iron-Chalcogenide Thin Films and Their Electrical Transport Properties

亚稳态铁硫族化物薄膜及其电传输特性