無機半導體波色愛因斯坦凝聚的研究

《無機半導體波色愛因斯坦凝聚的研究》是依託吉林大學，由黃科科擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：無機半導體波色愛因斯坦凝聚的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：黃科科
• 依託單位：吉林大學

項目摘要

本項目基於過渡金屬錳氧化物三重價態及原子尺度p-n結等前期研究工作，以歧化反應為主要合成手段，結合分子束外延技術，以Ⅲ-Ⅴ﹑Ⅱ-Ⅳ與Ⅲ-Ⅳ-Ⅴ族無機半導體材料為研究對象，開展對其電子輸運、成對、波色愛因斯坦凝聚的研究。元素混合價態的控制是固體化學領域重要的調控手段，直接影響著固體中電子、自旋、晶格之間的相互作用。另外，利用無機半導體電子結構豐富多變設計合成新概念激子晶體。該激子晶體是穩定的Mott-Hubbard絕緣體，其在外場下以激子為媒介生成穩定的電子對，並發生波色愛因斯坦凝聚，從而實現室溫及室溫以上超導。本項目的意義在於通過化學等手段對無機半導體材料進行原子層面調控，構築穩定激子結構，對於探索在更高溫度或室溫下實現超導開拓出一條獨闢蹊徑的道路。

結題摘要

波色愛因斯坦凝聚態是物質的一種新物態，其粒子體現相同的量子數，深入對波色態的研究是進一步揭示超導等科學問題的本質，並可能開創研究超導新的思路。自從1973年，Bardeen提出了以激字為媒介實現高溫超導的理論設計後，很多精力就投到無機半導體材料中，但由於無法消除半導體與金屬層間的化學勢，相關研究工作就此擱置。在前期過渡金屬錳氧化物的原子級P-N結研究基礎上，利用無機半導體中電子結構豐富多變和易於裁剪的特性，提出在無機半導體中構築特殊電子組態的原子結構，如製備在原子尺度上具有An-1-Bn-Cn+1（如：Ga-Si-As）結構單元的化合物材料，這種結構單元是激子生成以及提供單電子的必要條件，從而在雙電子層中實現激子的波色凝聚，並以激子為媒介， 探索激子如何使電子成對並發生波色凝聚的物理模型。通過對Si基底表面的化學處理，，得到了不同原子排列的表面重構，利用分子束外延手段，在Si (1 1 1)-(5√3 × 5√3)-Sb的表面上得到了平整的高質量GaSb外延膜,由於應力的完美釋放，在其表面生長的薄膜出現了2D的魚骨狀的超晶格。缺陷作為激子的複合中心，有效地被抑制從而提高了半導體材料中的激子濃度；加之GaSb材料具有較弱的激子束縛能，易於產生激子——電子對,這兩方面都有利於在更高溫度下實現激子的玻色態凝聚。利用分子束外延方法，精確控制Ge、Sb、Te三者的束流比，在非化學計量比的條件下得到大小一致和均勻分布的Ge2Sb2Te5納米粒子,同時克服在Sb2Te3與Ge失配較大的問題，外延生長出結晶度高，表面平整的Sb2Te3/Ge異質結。多元硫化物半導體材料具有豐富多變的晶體和電子結構，利用膠體合成Cu−Sb−S等半導體納米晶及其相選擇機制與載流子調控。如，其中Cu3SbS4 的晶體結構與鐵基等高溫超導體類似。我們通過熱注入法，相選擇控制地合成了CuSbS2、Cu3SbS3、Cu12Sb4S13和Cu3SbS4四種不同的結構相四種具有不同組成和晶體結構的Cu−Sb−S納米晶，其中其中Cu3SbS4 的結構與鐵基等高溫超導體類似，為進一步研究超導提供了基礎。