极低温下关联氧化物纳米器件的可重构制备方法与发展

编号：NMJS09844

篇名：极低温下关联氧化物纳米器件的可重构制备方法与发展

作者：黄成园

关键词： 可重构纳米电子学; 关联氧化物; 极低温原子力显微镜;

机构： 中国科学技术大学

摘要： 在固态体系中按需放置或移除电子,是实现固态量子模拟技术变革的关键。La Al O3/Sr Ti O3异质结因其高迁移率二维电子气与丰富的强关联电子态而备受关注。先前研究表明,利用导电原子力显微镜（c AFM）在La Al O3/Sr Ti O3界面进行局域电场调控,可实现导电纳米结构的“书写”与“擦除”,该技术具有可重构、高精度、强关联、长相干等优势。然而,传统的c AFM“书写”依赖室温大气下的“水循环”过程,这不仅导致制备的纳米器件在室温大气下易随时间衰减,使其参数优化与规模扩展面临严峻挑战,更严重制约了该技术在研究量子态所必需的极低温环境下的应用。因此,在极低温下实现可重构纳米电子学器件的原位制备成为了该领域亟待解决的难题。 实现在极低温下原位制备可重构纳米电子学器件面临两大挑战:其一,如何在干式稀释制冷机固有的高振动、极低温、强磁场的极端条件下搭建高性能原子力显微镜?这是限制多种先进扫描探针技术在凝聚态物理前沿研究中应用的共性瓶颈;其二,如何设计一种合适的物理机制,使得c AFM“书写”过程能够在低温真空环境下稳定工作?这是本研究的核心与难点。 针对第一大挑战,本论文研究摒弃了对制冷机主体进行复杂减震改造的传统思路,从核心部件自主创新出发,将原子力显微镜系统整体共振频率大幅提升至接近1 k Hz,从而实现与干式制冷机主要振动源的有效解耦。关键创新在于采用具有高比模量的紫外熔融石英和金属铍作为核心结构材料,开发了可以在两种模式下工作的扫描-位移台,最终首次在干式稀释制冷机中实现了Z轴原子级分辨率和25μm×25μm扫描范围。 针对第二大挑战,本论文研究结合理论分析,实验验证了采用掺杂调控模式设计的La Al O3/Sr Ti O3样品,其c AFM“书写”效应源于针尖电场调控下氧空位的定向迁移,该机制不受环境湿度的影响。基于此发现,本研究首次在100 m K温度下实现了亚纳米精度的金属-绝缘体相变调控,并原位制备与表征了线宽仅为0.85 nm的超细纳米线和单电子晶体管,这些器件展现出非易失性和可重构性。 本研究为关联氧化物体系中极低温量子现象的研究提供了强大的原位操控与表征工具,并为未来在量子材料中实现布洛赫电子的人工晶格排布、模拟复杂量子多体系统并探索新奇量子物态创造了新的可能。