基于组合薄膜研究电子掺杂铜氧化物超导体的量子临界效应

The understanding of the mechanism of high Tc superconductivity relies on well-established phase diagram. Superconductivity in cuprates could be achieved by charge doping, either electrons or holes, into the copper oxygen plane, whereas the phase diagram by electron- or hole- doping is highly asymmetric. In order to build a universal microscopic theory, systematic studies should be performed on both the electron-doped and the hole-doped cuprates. However, owing to the low quality of the samples the electron-doped ones have not been well addressed. Recently, the well improved sample quality makes the comprehension of electron-doped cuprates possible. In this proposed project, we will employ the key techniques of the "Materials Genome Initiative" project, i.e. the high throughput combinatorial thin film techniques, to synthesize phase-spread electron-doped cuprate thin films. By taking the advantage of the combinatorial thin films, such as high efficiency, sequential composition, and controllable oxygen content, measurements like transport, tunneling spectroscopy and so on will be used to explore a significant phase diagram as a function of field, temperature, doping, and oxygen variation. It is the first time that such a complex phase diagram will be destructed, which definitely helps the community to comprehend the quantum criticality and understand the mechanism. Using high-throughput combinatorial techniques to study the novel high-Tc superconductivity will supply a gap in China. This project will train several graduate students who will fit the "Materials Genome Initiative" project. Meanwhile, our unique high quality combinatorial thin films will bring us a worldwide cooperation. This project will lay a foundation for the search of new superconductors by high throughput combinatorial techniques.

高温超导体机理的理解基于完整相图的建立。在铜氧化物母体中掺杂电子或者空穴都可以获得超导电性，然而二者的相图并不对称。要想建立统一的微观模型解释高温超导机理，实验上需要同时对空穴掺杂和电子掺杂铜氧化物开展系统深入的研究。早期由于样品的制约，对电子掺杂铜氧化物的研究远不如对空穴型掺杂体系深入。近年来，随着样品质量的大幅提高，对电子型铜氧化物的研究也逐渐深入。本项目将借鉴材料基因计划中的核心技术，即高通量组合薄膜技术，生长高质量外延电子型铜氧化物组合薄膜，充分发挥组合薄膜的并行快速制样、组分连续、氧可控等特点，通过快速的输运、隧道谱等测量手段，建立一幅以磁场、温度、化学组分、氧含量为变量的高纬度立体相图，全面深入研究电子型铜氧化物体系的量子临界效应，促进对电子型铜氧化物机理的理解。本项目将培训一批熟练掌握先进组合激光外延生长技术的研究生，同时为下一步利用组合薄膜技术探索新超导材料奠下基础。

研究高温超导体机理是超导领域长期以来的前沿课题，对机理的研究离不开相图的建立。电子态相图的建立有助于全面了解铜氧化物的各种特性，然而不同体系的相图并不一致，研究手段的不同和样品的差异均会造成相图的不确定性，给寻找普适规律带来困难。..为建立精确的电子型铜氧化物相图并研究其超导机制，我们利用材料基因计划的核心技术，在一块基片上一次性生长具有组分连续变化且精确可控的电子型La2-xCexCuO4 （LCCO）组合薄膜。在此基础上，主要研究内容包括：.1）表征组合薄膜样品成分、结构以及电输运特性；.2）改变样品中的氧含量，研究量子临界现象；.3）建立包含温度、磁场、Ce 含量、相对氧含量在内的多维相图。.项目组通过摸索薄膜生长条件，成功制备了高质量LCCO组合薄膜，同时发展了高通量测量系统，对组合薄膜进行了细致的结构表征和电输运表征等，主要结果如下：.1）利用可连续移动的掩膜版技术，成功制备高质量LCCO组合薄膜。通过微区XRD和WDS表征证明组合薄膜结构和成分均符合设计要求；.2）利用微加工方法对LCCO组合薄膜进行三次套刻并研究了不同区域的电输运特性，得到精确的超导转变温度和掺杂的关系；.3）对系列Ce掺杂LCCO样品进行了面内磁电阻测量，发现随着掺杂的增加，磁阻发生从负到正的转变，预示着三维反铁磁序的消失；.4）对不同氧含量样品测试了高场的的磁致电阻和Hall电阻数据。第一次完整地给出了随含温度，磁场，Ce含量和氧含量变化等变量的高维电子型铜氧化物相图；.5）测量了系列调氧的LCCO薄膜的超快光谱，发现二维反铁磁涨落极有可能是电子型铜氧化物电子配对的媒介；.以上研究成果推进了对电子型体系的深入认识，加深了人们对铜氧化物高温超导机制的理解。此外本项目培训出了一批掌握组合激光分子束外延技术的研究生，为我国材料基因工程奠定基础。