高温超导纳米结构体系的界面自组装生长及其原位超高真空变温四探针SPM研究

纳米结构自组装体系与新量子效应器件是目前纳米材料研究的前沿，而氧化物高温超导电性则是近二十年来最热的凝聚态物理研究课题。虽然目前对纳米材料研究已是如火如荼，但高温超导纳米结构的制备和物理性质研究则仍然较为少见，因此，需要实验和理论方法的创新和发展。本课题将利用界面辅助自组装和激光分子束外延技术制备表面纳米结构，从简单的隔离层纳米结构体系，拓展到不同衬底的、有序的高温超导纳米结构阵列。同时，利用原位超高真空变温四探针（包括单探针）SPM等对有关纳米结构和性能（特别是低温外磁场下的输运特性）进行表征；系统研究高温超导纳米结构尺寸的变化对配对态的对称性、赝隙行为、Tc、条纹相乃至高温超导相图的影响等；揭示量子效应、小尺寸效应和表面及界面效应对纳米结构高温超导电性影响的物理机制，进而开发新型的功能材料与器件。上述研究内容在国际上至今尚无报道，具有原创性和重要的学术意义。

本课题利用界面辅助自组装和激光分子束外延技术制备了表面纳米结构，从简单的隔离层纳米结构体系，拓展到不同衬底的、有序的高温超导纳米结构阵列。同时，利用原位超高真空变温四探针SPM等对有关纳米结构的结构和物理性能进行了表征。项目实施基本上按照原计划进行，获得了如下研究成果：. 1）完成了CeO2、YSZ 和Nb:TiO2隔离层纳米结构的制备和表征，优化了制备工艺。. 2）完成了La2-xSrxCuO4（LSCO）和YBa2Cu3O7-d(YBCO)高温超导纳米结构的制备和表征；优化了LSCO和YBCO薄膜的化学配比、各种沉积参数和“原位处理”条件，实现了对LSCO和YBCO纳米结构形状、尺寸和分布以及掺杂浓度的人为控制。. 3）利用超高真空变温四探针STM研究了LSCO和YBCO高温超导纳米结构薄膜在低温（6-300 K）、外加磁场（～1.3 T）下的输运性质。研究表明，高温超导纳米结构的超导转变温度Tc随纳米尺寸的减小而降低；随着纳米尺寸的减小，正常态的负磁阻效应增强，分析表明，该负磁阻现象主要是由弹道散射和探针排列等量子相干输运导致的电子弱局域化而引起的。这些问题以前一直没有定论，我们的研究结果对这方面的研究具有重要的指导意义。. 4）利用原位超高真空变温STM技术测量了低温（6-300 K）、外加磁场（～1.3 T）下LSCO和YBCO纳米结构的扫描隧道谱（STS），研究了高温超导纳米结构的配对态对称性、赝能隙等与高温超导机理密切相关的一些基本问题。高温超导纳米结构的扫描隧道谱研究表明其为d波对称、在欠掺杂区有明显的赝隙行为。高温超导体纳米结构的配对态对称性、赝隙行为等一直没有定论，我们的研究结果对这方面的研究具有重要的科学意义。这些高温超导纳米体系的STM/STS研究结果极大丰富了我们关于纳米结构尺寸的变化对配对态对称性、赝隙行为、Tc乃至高温超导相图影响的认识，揭示了由尺寸效应引起的高温超导相图中的各态，为进一步实现对条纹相、赝能隙等量子态的直接检测以及对微观奇异相的直接可控研究奠定了良好的实验基础。