拓扑超导体及小超导体的生长与stm研究

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1、申请上海交通大学博士学位论文拓扑超导体及小超导体的生长与STM研究学校：上海交通大学院系：物理与天文系班级：A1007291学号：0100729014博士研究生：徐金朋专业：物理学导师Ⅰ：贾金锋（教授）导师Ⅱ：刘灿华（特别研究员）上海交通大学物理与天文系2014年11月万方数据万方数据ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofPhilosophyDoctorTHEGROWTHANDTHESTUDYOFTOPOLOGICALSUPERCO

2、NDUCTORANDSMALLSUPERCONDUCTORBYSTMAuthor：Jin-PengXuSpecialty:PhysicsAdvisorⅠ:Prof.Jin-FengJiaAdvisorⅡ:Prof.CanhuaLiuDepartmentofPhysicsandAstronomyShanghaiJiaoTongUniversityShanghai,P.R.ChinaNovember,2014万方数据万方数据上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留

3、并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日万方数据万方数据上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其

4、他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日万方数据万方数据万方数据万方数据摘要拓扑超导体及小超导体的生长与STM研究摘要在拓扑绝缘体中引入超导可以形成拓扑超导，这不仅是一种新的拓扑现象，而且，对Majorana费米子的探索和实现以及未来拓扑量子计算的发展和应用具有重要意义，本论文将人工构造的拓扑超导体作为研究对象之一，首先从晶体生长的角度，利用分子束外延（MBE）的生长方法研究了超导体/拓

5、扑绝缘体异质结的生长，制备出了高质量的超导体/拓扑绝缘体异质结。然后从超导特性和电子结构角度出发，利用扫描隧道显微谱技术（STS）研究拓扑表面态的转变和超导邻近效应诱导的非常规的超导特性行为，证明了我们构造的超导体/拓扑绝缘体异质结为拓扑超导体。再次我们利用STS研究了在异质结表面的超导涡旋中心束缚态的空间分布，找到了Majorana费米子束缚态存在的证据。二维的超导薄膜中因为在第三个维度的限制有明显的量子尺寸效应，在此基础上我们在面内的二维方向对样品尺寸再加以进一步的限制，利用MBE晶体生长方法制备了高质量的三个维度方

6、向都受到限制的小尺寸超导体，然后用STS研究了其超导特性。本论文主要研究内容及成果展开如下：第I页万方数据摘要1.在超高真空中，我们在解理的洁净s波超导体NbSe2衬底表面，利用MBE生长了高质量的Bi2Te3拓扑绝缘体薄膜。我们找出生长Bi2Te3ooo薄膜的最佳生长条件为：TBi=450C；TTe=250C；TSi=250C，生长速率为0.33层/分钟。然后我们用扫描隧道显微镜（STM）表征薄膜的表面形貌，确定薄膜的层状生长模式，且在薄膜表面的原子分辨图像中没有缺陷或杂质，证明了Bi2Te3薄膜的高质量。利用STS我

7、们研究了其电子结构随着层厚的变化，发现当薄膜的厚度达到3QL之后，拓扑表面态形成。然后我们研究了超导邻近效应在薄膜中诱导的超导能隙，通过BCS理论拟合发现在拓扑表面态形成之后，诱导的超导能隙为非常规超导，证明了该异质结构为拓扑超导体。最后我们研究了薄膜的超导涡旋以及超导相干长度随薄膜厚度和磁场的变化关系。2.在高质量的Bi2Te3/NbSe2拓扑超导薄膜中，我们利用STS研究薄膜表面超导涡旋中心束缚态的空间分布。在0.4K0.1T磁场下，不同的厚度的薄膜上超导涡旋中束缚态都有能级劈裂。通过对比发现，当薄膜的厚度小于4QL

8、时，薄膜超导涡旋中心束缚态的能级劈裂都是从超导涡旋中心开始的，和s波超导特性是一样的，说明我们观察到的为常规的超导束缚态。而当薄膜厚度的增加到4QL时，超导涡旋中心束缚态零偏压电导峰的能级劈裂变成不从超导涡旋中心开始。理论研究发现超导体/拓扑绝缘体/超导体异质结中的Majorana费米子束缚态在超导涡旋中心周第II页