Ba2IrO4外延薄膜的输运性质与微观结构的应力调控

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自上世纪以来,高温超导材料作为未来极具应用前景的材料受到人们的广泛关注。但当前高温超导的物理机理仍然不清楚,有待进一步研究。5d过渡金属铱氧化物因其d轨道电子在强自旋轨道耦合效应与电子关联效应共同作用下而具有许多新奇的物理性质,有望通过电子掺杂而实现高温超导。铜基高温超导是基于铜原子的3d轨道电子,因此探索5d轨道电子对高温超导的机制研究具有重要意义。当前,对于5d铱氧化物的研究多集中于反铁磁型Mott绝缘体Sr2IrO4,实验上在Sr2IrO4中观测到了费米弧与V型能隙等与高温超导铜氧化物类似的现象。然而,实验上并没有在Sr2IrO4中观测到高温超导的两大直接证据——零电阻以及完全的抗磁性。这有可能是因为Sr2IrO4中IrO6氧八面体的旋转导致IrO2面内出现较弱铁磁性,抑制了电子库珀对的形成,使得在该体系中尚未发现高温超导态。Ba2IrO4与Sr2IrO4相比,结构上更与La2Cu O4相似。且Ba2IrO4内没有IrO6氧八面体旋转,IrO2面为理想的反铁磁面。因此,Ba2IrO4体系内的潜在高温超导性值得进一步探索。但由于Ba2IrO4为亚稳相,块体通常需在高压条件下合成,单晶薄膜的生长和制备较为困难,且薄膜质量极易受生长条件影响。Ba2IrO4中也难以实现有效载流子掺杂,掺杂样品也需要在高压条件下才能实现金属-绝缘体转变。这些都给研究带来很大困难,使得当前对于Ba2IrO4体系的研究还比较少。Ba2IrO4薄膜质量对于该体系潜在高温超导性的研究十分重要。本论文在关于Ba2IrO4薄膜的研究中,通过控制生长参数调控优化了薄膜生长质量,通过外延应力以及掺入氧空位的方法调控了薄膜的输运性质,还发现了微观结构应力调控下的薄膜极化现象。主要工作与贡献具体有:1)采用分子束外延方法生长与制备出了Ba2IrO4薄膜,并通过优化生长温度以及生长氧压的方法,进一步提高了外延薄膜的质量。实验表明,高质量的Ba2IrO4薄膜在真空密封的干燥环境下保存两个月后,薄膜质量基本没有变化,这为进一步研究Ba2IrO4体系潜在的高温超导性,对薄膜进行一系列测试表征打下了良好的基础。2)通过外延应力以及Ca H2退火掺入氧空位的方法调控Ba2IrO4薄膜的输运性质。实验表明在不同衬底上外延生长的Ba2IrO4薄膜,随着面内压缩应力的增大,薄膜的导电性质逐渐增强;初步摸索了Ba2IrO4薄膜的Ca H2退火参数,实验结果表明在合适温度退火一定时间后,薄膜的电阻率明显降低。3)使用扫描透射电子显微镜表征了Ba2IrO4薄膜的微观结构。且发现在Sr Ti O3衬底上生长的Ba2IrO4薄膜晶体结构发生了一定的畸变,薄膜中Ir原子相对于块体Ba2IrO4中的中心位置产生了一定的偏移。这种Ba2IrO4在较大的晶格失配下,由原子位移产生的极化现象值得进一步的探究。
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