新技術帶來新物理：超導-鐵磁絕緣態相變的電場調控（附文小剛導讀）| 眾妙之門_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2019-06-28 10:06
撰文 | 陳仙輝（中國科學院院士、中國科學技術大學教授）
場效應晶體管（FET）是通過電場改變材料的載流子濃度，從而對材料物性進行調控。這種靜電荷摻雜方式不僅是基礎研究領域中探索新奇電子物態的有效手段，而且在半導體器件中有着廣泛的應用。
傳統的場效應晶體管採用的基本器件結構是金屬-絕緣-半導體（MIS-FET）三明治結構（如圖1（a）所示）。在類似於電容器構型的MIS場效應晶體管器件上施加門電壓，電荷可以在半導體表面積累，實現對半導體的電荷摻雜，這在半導體工業中有着廣泛的應用。但由於受介電層擊穿電壓的限制，該技術對材料載流子濃度的調控極限約為
較低的載流子調控能力極大地限制了MIS-FET在新奇電子物態調控領域的應用。
圖1：(a)傳統的場效應晶體管器件構型。通過施加門電壓VG，正(+)和負(-)電荷分別在半導體導電通道和門電極上積累。(b) 電雙層場效應晶體管器件構型。施加電場，電解質中的正負離子分別向門電極和樣品表面聚集，在液體-固體界面處形成納米量級厚度超大電容的電容器，可以在半導體表面積累大量電荷**[1]**。
電雙層場效晶體管
為了提高場效應晶體管的調控能力，日本東京大學的Yoshihiro Iwasa教授率先發展了用離子液體做介電層的電雙層場效應晶體管（EDL-FET）技術**[1]**。這個器件的優勢在於，固體-液體界面處形成一個厚度為納米量級的具有超大電容的電容器，通過施加較小的門電壓就可以獲得超過10MV/cm的超大電場，將載流子調控能力提高到超過
量級（如圖1（b）所示）。基於這種場效應晶體管，二維材料的物理性質可以被有效地調控，尤其是在超導研究中，利用該技術發現了許多新的二維超導材料（如圖2（a）所示），使二維超導材料研究煥發出新的活力。
在2016年，中國科學技術大學的陳仙輝教授團隊成功地將電雙層場效應晶體管技術應用到薄層鐵硒（FeSe）單晶的超導電性調控研究（如圖2（b）所示），通過單純的靜電荷積累方式，獲得高達48K的超導轉變温度**[2]。這一結果不但幫助人們更好地理解了鐵硒基高温超導電性的起因，而且實現了對高温超導電性的電場調控**。但是，電解質的覆蓋使得很多物理測量手段（特別是表面探測技術）無法進行，阻礙了對上述物性調控過程的物理理解，給進一步的物理研究帶來了困難。同時，在高電壓的情況下，樣品與電解質還會發生電化學反應，無法對樣品進行進一步的摻雜，從而限制了更高載流子濃度的調控。另外，由於利用了離子液體，這一技術也無法推廣到實用化的器件應用中。
圖2：(a)電雙層場效應晶體管器件在多種材料體系中通過電場誘導的超導相圖**[1]。(b)電雙層場效應晶體管器件將FeSe薄層的超導轉變温度調控到高達48K[2]**。
固態離子導體基場效應晶體管
為了克服電雙層場效應晶體管的限制，2017年陳仙輝教授團隊利用固態離子導體替換離子液體作為電介質，發展了一種全新的場效應晶體管技術：固態離子導體基場效應晶體管（SIC-FET）[3]。在SIC-FET器件中，其調控原理是通過施加電場有效地驅動離子導體中的鋰離子進出樣品內部，從而實現對樣品的結構和物性進行調控（如圖3（a）所示）。由於採用了固體介質，在保證調控能力的同時，可進行表面探測技術進行原位物性測量，這一改進極大地拓寬了研究的寬度和深度，使得人們可以利用各種測量技術（例如X光衍射、掃描隧道顯微鏡等）來理解整個物態調控過程和研究展現的新物態。
利用這種全新的SIC-FET技術，他們將鋰離子注入FeSe薄層樣品，從而對它的超導電性進行了調控。隨着鋰離子的注入，初始超導轉變温度由8K被調控到46.6K，且超導轉變寬度優於2K，表明該技術對樣品進行了均勻的體調控。陳仙輝教授團隊還進行了原位X射線衍射、X射線光電子能譜和近邊吸收譜等手段的測量，對整個調控過程的晶體結構和電子結構進行了細緻的研究。他們發現在鋰離子注入樣品的這一過程中，體系的晶體結構從11結構轉變成具有122結構的
（如圖3（b）所示），這些新的結構相是無法通過傳統方法合成獲得的，體現了新的SIC-FET技術在亞穩結構相研究方面的優勢。隨後，他們又進一步優化了器件構型，對上述在FeSe薄層中實現的亞穩結構相的超導轉變温度進行了更為精細的調控和研究，發現在亞穩結構相中存在着分立的超導相，對鐵硒基高温超導的理解提供了重要的實驗數據**[4]**。
電場調控的超導體到鐵磁絕緣體的可逆轉變
最近，陳仙輝教授團隊基於自主研發的SIC-FET技術，在(Li,Fe)OHFeSe薄層樣品中又成功觀察到了電場調控的超導體到鐵磁絕緣體的可逆轉變**[5]， 擴展了SIC-FET技術在物態調控領域的應用範圍。(Li,Fe)OHFeSe是他們發現的一種鐵硒基高温超導層狀材料[6]**，由(Li,Fe)OH層和FeSe層交替堆垛而成。在這一研究中，利用水熱合成法制備的超導單晶材料由於在FeSe層存在少量的鐵空位，導致超導轉變温度低於多晶材料的超導轉變温度（43K），其轉變温度大約在26K左右。利用固態離子導體基場效應晶體管，鋰離子可以在電場的驅動下注入或抽出(Li,Fe)OHFeSe薄層樣品。
值得一提的是，此處注入的鋰離子並非單純導致載流子注入，而是置換了(Li,Fe)OH層中的鐵離子，使得鐵離子游離到新的結構位置，從而實現新的亞穩結構。在這一過程的起始階段，隨着鋰離子注入樣品，被取代的Fe離子先是遊離到FeSe層，彌補其中的Fe空位。當FeSe層的空位被完全填滿後，樣品的超導轉變温度達到最佳超導的43K。隨着進一步注入鋰離子，從(Li,Fe)OH層取代出的Fe離子這時遊離到FeSe層的間隙位置（Se的四方格子中心的中心位置），並最終形成新的亞穩有序結構，從而產生長程鐵磁有序（如圖4（b）所示）。因此，最佳超導為43K的超導相在電場的調控下轉變為鐵磁絕緣相。當反方向施加電壓時，鋰離子被抽出樣品，樣品又由鐵磁絕緣態返回到超導態。通過改變電壓，可以實現超導體到鐵磁絕緣體以及亞穩結構相的可逆調控（如圖4（c）所示）。
這一發現不但為研究鐵基超導體中超導與鐵磁絕緣體的關係提供了獨特的平台，並且開拓了SIC-FET技術在物態調控領域的應用，超越了傳統場效應晶體管僅有載流子調控方面的能力，實現了對亞穩結構的可控調控，這一技術將有可能在多功能調控器件上擁有潛在應用價值。
圖4：（a）利用固態離子導體場效應管對（Li，Fe）OHFeSe進行電場調控的器件示意圖。（b）(Li,Fe)OHFeSe超導-鐵磁絕緣可逆相變過程的結構示意圖。在電場的驅動下，鋰離子可以進出樣品，誘導超導-鐵磁絕緣相變。（c）門電壓調控(Li,Fe）OHFeSe薄層樣品超導-鐵磁絕緣相變的相圖。利用固態離子導體場效應管，可以實現超導態-鐵磁絕緣態的可逆調控**[5]**。
結束語
相對於傳統的場效應晶體管，固態離子導體基場效應晶體管不僅可以通過注入鋰離子改變體系的載流子實現對物態的調控，而且通過****鋰離子進入晶格改變結構獲得新的亞穩結構相，通常這些新的亞穩結構相是常規方法無法獲得的。正是這一獨特的特性使得固態離子導體基場效應晶體管有着廣泛的應用前景，極大地拓寬物態調控領域的研究。此外，固態離子導體基場效應晶體管在擁有類似於電雙層場效應晶體管的調控能力的同時，還克服了樣品表面被電解質覆蓋的弊端，適合多種探測技術對材料在被調控的同時進行原位的測量進行相關的物理研究。我們非常期待這一新技術在基礎研究和器件應用領域帶來更多的驚喜。
參考文獻
1. Ueno, K., Shimotani, H., Yuan, H. T., Ye, J. T., Kawasaki, M., & Iwasa, Y., Field-induced superconductivity in electric double layer transistors. J. Phys. Soc. Jpn. 83, 032001 (2014)
2. Lei, B., et al., Evolution of High-Temperature Superconductivity from a Low-T-c Phase Tuned by Carrier Concentration in FeSe Thin Flakes, Phys. Rev. Lett. 116, 077002 (2016).
3. Lei, B., et al., Tuning phase transitions in FeSe thin flakes by field-effect transistor with solid ion conductor as the gate dielectric, Phys. Rev. B 95, 020503(R) (2017).
4. Ying, T. P., et al., Discrete superconducting phases in FeSe-derived superconductors. Phys. Rev. Lett. 121, 207003 (2018).
5. Ma, L.K., et al., Electric-field controlled superconductor-ferromagnetic insulator transition. Sci. Bull. 64, 653 (2019)
6. Lu, X. F., et al., Coexistence of superconductivity and antiferromagnetism in (Li0.8Fe0.2)OHFeSe, Nature Mater. 14, 325-329 (2015).
7. Shang, C., et al., Structural and electronic phase transitions driven by electric field in metastable MoS2 thin flake. arXiv:1902.09358
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