1、项目名称复杂电子体系的超敏量子调控首席科学家沈健项目名称：复杂电子体系的超敏量子调控首席科学家：沈健复杂电子体系的超敏量子调控首席迷信家：沈健 复旦大学起止年限：2020.1至2021.8依托部门：教育部 上海市科委二、预期目的本项目的总体目的： 针对复杂电子体系中的超敏量子调控中面临的基础迷信效果，本着强强结合，多学科协作，实际与实验相结合的原那么，凝聚国际生动在本范围相关前沿研讨范围具有代表性的研讨队伍，并借助曾经树立起来的国际协作优势，应用项目参与人已取得的对复杂氧化物和二维电子资料的前期研讨效果，与国度业已规划的相关研讨项目无机衔接，优化现有的综合研讨平台和运用先进的技术手腕，深化研讨
2、复杂电子体系的维度效应及其发生的共同的超敏量子调控功用，发现未知的重要的物理现象并在实际上对相关的物理机理停止研讨。 同时为研讨和运用此类现象开展出新技术、新方法，力争在假定干关键迷信取得打破，并开收回基于复杂电子体系的新型多功用电子器件。经过优化资源、凝聚队伍、协作攻关、重点打破，提出真正原创性的思想，做出一批具有原创性的重要效果，取得具有国际影响力的严重打破，使我国在新型电子器件的研讨处于世界前沿。经过本项目的实施，同时培育和锻炼一批具有国际水准的学术人才，为参与未来在固态量子计算及相关研讨范围上的国际竞争树立起一支创新才干强、凝聚力高的高水平的攻关队伍。 五年预期目的: 从实验上将复杂电
3、子体系空间尺度增加到电子相分别的尺度或维度限制到二维，充沛发扬其量子调控才干，从而能在真正意义上完成超敏量子调控。实际与实验严密结合，研讨电子输运进程与复杂体系内各自在度的相互作用，讨论在小系统中完成由电学控制各自在度的方法。了解基于复杂体系的新型电子器件所面临的各种基础效果，提出真正原创性的思想，使我国的在新型电子器件的研讨处于世界前沿。五年详细目的如下： 1) 取得复杂氧化物的尺寸效应及在临界点的相变特性。完成应用外界磁场、电场、应力场对复杂氧化物电输运和磁性质的超敏控制。 2) 经过控制复杂氧化物的外表、界面结构、化学组分，取得新磁性结构，并与硅技术相结合，完成高效自旋电子器件。 3)
4、完成尺寸效应、外电场引发的对称性破缺对石墨烯以及氧化物异质结纳米器件中的能带调控。开展石墨烯器件在微波、太赫兹和远红外波段作为激光元件和超敏探测原器件的运用。 4) 树立局域受限后的过渡族金属复杂氧化物的输运特性的实际模型。研讨应用纳米加工手腕降低复杂金属氧化物维度后，异于块体和薄膜的输运模型，树立一种新的实际模型对新现象加以解释。 5) 探求出与现有CMOS工艺兼容的复杂氧化物及石墨烯资料制备加工技术，包括采用电子束光刻技术制备亚微米/纳米结构、准确可控的纳米尺度等离子体刻蚀技术等，完成500-100nm的复杂氧化物图形化，制备石墨烯以及氧化物异质结纳米带、纳米点。研制出基于复杂体系的二维电
5、子气高速晶体管、下一代存储器和其它新型电子器件原型。 6) 申报专利20项以上；每年宣布论文40篇以上，其中至少有20篇文章宣布在影响因子为3或以上的杂志上；每年培育优秀博士研讨生和博士后20名以上，为国际外重要迷信研讨基地保送合格人才。树立起一支在国际上相关研讨范围具有影响力的学术团队。 三、研讨方案1学术思绪： 本项目的总体思绪是瞄准国度迷信中临时开展规划中关于量子调控和固态量子计算的战略目的，围绕如何完成复杂电子体系中的超敏量子调控，重点研讨空间尺度、维度、构型以及序竞争对微观电子相分别、量子相变、微观磁、电等物理性质以及体系的各种场效应的影响，探求复杂电子体系的表征方式和超敏量子调控途
6、径。在此基础上，开发以复杂电子体系为基础的新型电子器件。在课题的设臵上留意与前期曾经执行的项目在研讨内容上相互补充，相反相成，与此同时，实际与实验相结合，各课题之间研讨内容既有其共同性，相互之间又具有很强的关联，从而发扬协作攻关的优势。在人员的构成上留意强强结合，充沛发扬实验物理学家与实际物理学家协作攻关的优势，使得观察到的物理现象可以及时在实际上停止了解，同时实际又可以指点下一步实验停止的方向。在详细技术路途确实立上，将力图准确掌握国际上相关范围的严重科技开展意向，并结合项目参与单位在相关研讨范围丰厚的研讨任务基础、技术积聚及我国的详细国情，在详细技术路途确实立上，将力图准确掌握国际上相关范
7、围的严重科技开展意向，并结合项目参与单位在相关研讨范围丰厚的研讨任务基础、技术积聚及我国的详细国情，抓住小尺度下复杂氧化物等超敏量子调控研讨尚处于探求阶段，未构成明白的世界格式的机遇，统筹强调自主创新与总体技术路途的可行性两方面要素，力图在该研讨范围取得系列自主知识产权，培育与完善研讨队伍树立，促进我国在相关范围的可继续开展。 关于复杂氧化物的空间受限体系的研讨，我们将以分子束外延和脉冲激光分子束外延所生长的单晶薄膜为基点，应用各种微、纳加工方法，结构尺度可控的受限体系，发现新的物理现象，并经过化学掺杂、应力、栅控电场、铁磁交流作用等，调制体系的各种量子序极端共存态，让体系能最敏感地照应外界物
8、理参数的改动。完成复杂电子系统的样品制备和研讨其超敏量子调控是本项目的重点，详细研讨方案确实定也将围绕这方面展开。 2技术途径： a) 复杂电子系统的样品制备 我们将应用单晶外延薄膜生长技术脉冲激光分子束外延、分子束外延等，经过优化生长条件，制备出结构、化学组分、应力可控的高质量复杂电子体系薄膜，并停止微、纳加工，以失掉尺寸、构型可控的复杂电子空间受限体系，满足后续物性测量以及器件结构的需求。由于一旦当资料的空间尺度增加到几十纳米以下，其边界效应将不可疏忽，而对单晶薄膜的微纳加工不可防止会引入边界缺陷，为了完成洁净的纳米尺度下的空间约束体系，我们将开展一套新颖的样品制备工艺如以下图所示：在单晶
9、复杂氧化物资料制备之前，应用电子束刻蚀或许聚焦离子束刻蚀预先使衬底图形化，再应用脉冲激光分子束外延在此衬底上生长单晶薄膜。由于刻蚀是在衬底上停止而非在样品上，样品图案是经过衬底诱导自发构成，不需求离子束轰击和化学处置进程，既没有粗糙边缘带来的缺陷，也防止了刻蚀进程不可防止引入的一些外加掺杂。此外，我们还会应用超晶格分解化学有序的薄膜来研讨化学有序性对物性的调制。以锰氧化物为例，La0.5Ca0.5MnO3中掺杂的Ca2+离子，在普通状况下是空间随机散布的。但假设用外延方法将单层的LaMnO3和单层CaMnO3换层堆积成超晶格结构，那么该超晶格体系就成了Ca2+离子化学有序陈列的La0.5Ca0
10、.5MnO3体系。将这两集体系的物性直接做比拟，我们希望可以直接观察到化学有序掺杂在La0.5Ca0.5MnO3体系中扮演的角色。相似的方法当然也可以推行到其它的复杂电子体系生长中去。 b) 复杂资料体系的呈展现象 我们将设计如以下图所示的可控鼓舞的新器件。应用锰氧化物La1-xyPrxCayMnO3 (LPCMO)的共同性质来做晶体管的沟道资料，虽然此器件结构上相似于通常的场效应管，但基本原理却是基于锰氧化物薄膜中电荷相分别的呈展效应。由于这些资料的复杂强关联实质，加在薄膜上的电场可以清楚的改动外部的电荷序，因此输运沟道的性质金属绝缘体相变会随着这些相的变化而变化，从而控制通道的导通。此外，
11、我们还将引入铁电资料如PbZrxTi1-xO3 (PZT)来调控锰氧化物的界面，完成由外加电压驱动铁电资料控制锰氧化物界面上的应力场和电荷散布。由于PZT是一种铁电资料，可以受电场控制完成双向翻转，进而双向驱动锰氧化物相变。而且PZT还是一种压电资料，即外加电场还可以同时改动晶体结构的外形，使得经过外加应力来调控沟道中的锰氧化物资料成为能够，从而完成应力诱导相变招致的沟道电阻变化。 c) 资料表征 关于上述各种资料，依据所要停止的测试以及展开后续任务所需的要求，运用相应的惯例样品表征手腕如XRD、SEM、TEM、STM、AFM、电阻率、迁移率、磁阻、磁矩测量等停止表征，研讨样品外表及外部晶格结
12、构和相关物性。同时把所失掉的结果反应回样品生长和微、纳加工人员，以探索最正确样品制备条件，不时完善，最终失掉契合要求的样品。 d) 微加工和器件制备 本项目的许多研讨内容都触及到对样品停止微米至纳米尺度的微加工。中科院微电子所以及本项目的相关课题组具有各类停止微加工所需求的设备如电子束曝光EBL、反响离子束刻蚀RIE、聚焦离子束刻蚀FIB等，同时各课题组成员都具有停止样品微加工的多年的阅历积聚，经过探索微加工工艺，最终失掉展开后续实验所需的停止微加工的样品。 e) 物性测试 在所失掉的样品上应用各课题组已有的测试手腕以及各依托单位的公用设备，在特定条件下极高温、强磁场、极高压停止霍尔电阻、隧道
13、谱、磁阻、SQUID、比热、光谱、亚微米量级的激光扫描共聚焦荧光显微光谱等各项与有序量子态所表现出的物性相关的实验，失掉与量子有序态相关的物理信息。经过比对不异样品、不同条件下的实验结果，总结出量子有序态在外部条件影响下发作变化的规律，找出对量子有序态起重要作用的参量，进而了解不同系统中量子有序态遭到某些特定条件的影响下所发作的变化进程和物理机理，掌握其规律，探求出对量子有序态停止调控的新思绪、新方法。 f) 实际剖析和实际模拟 实际成员将积极配合实验组,在两方面展开实际研讨：(1) 针对实验中提出的效果和观测到的现象，停止实际剖析，结构实际模型及停止实际模拟，从而取得深化的了解以推进相关实验
14、的展开； (2) 展开实际的前瞻性研讨，从实际基础，新现象预言，实验方案设计等方面为实验任务展开方向提供参考。 四、年度方案2020年度制备高质量样品，探索微纳加工技术，以研讨空间尺度效应对不同量子序的特征长度及相互关联的影响，树立局域受限后的过渡族金属复杂氧化物的输运特性的实际模型。经过PLD, CVD，悬浮区法，自助熔剂法，磁控溅射、MBE 等多样资料生长的方法，制备高质量石墨烯、复杂资料低维界面等各类物理体系样品。探索复杂氧化物的微纳加工技术，应用光刻、电子束刻蚀和聚焦离子束刻蚀相结合的方法，将各种复杂氧化单晶薄膜制备成从几微米到几十纳米的各种小尺度结构，研讨空间约束效应对其物性的影响。
15、应用铝膜辅佐电子束刻蚀技术和聚焦离子束刻蚀制备亚100纳米线宽的图形，在此基础上应用原子力显微镜进一步探求30纳米线宽的图形刻蚀技术。并将电子相分别研讨对象从LaPrCaMnO3拓展到更多的复杂氧化物，进一步挑选出更多具有超敏量子调控功用的资料。开展计算复杂电子体系外表电子结构和输运性质的新方法，复杂电子体系由于结构复杂，原有的基于平衡态的电子结构计算和基于线性照应实际电导实际都需求改良。2021年度片面展开对复杂电子体系中的序竞争及其诱导的新现象的研讨。将挑选出的资料在外延生长时，经过选取不同的衬底晶面控制薄膜的晶体取向、经过衬底晶格的大小以及对称性来控制薄膜的晶格常数、键角以及晶体对称性；
16、研讨晶体结构的改动对电子自旋耦合和跃迁几率、体系的微观磁性和电输运性质的调控，研讨超晶格构成的维度调控对物性的影响。以复杂氧化物为重点，深化研讨薄膜晶体结构与衬底结构的关系，在此基础上总结出复杂氧化物外延薄膜生长规律和相图。针对所要研讨的物理效果与相应的检测手腕设计并制备高质量的石墨烯器件，研讨外界电场磁场作用下的石墨烯中量子输运转为所需器件的设计与制备。应用高温超高真空STM-AFM 联用系统对所制备的石墨烯器件停止研讨，探求其在应力作用下的量子输运特性。 2021年度 应用栅极场完成电场驱动复杂氧化物资料可控翻转，研讨引入铁电资料如PbZrxTi1-xO3 (PZT)完成调控锰氧化物的界面
17、；研讨由外加电压驱动铁电资料控制锰氧化物界面上的应力场和电荷散布；研讨应力诱导相变招致沟道电阻的变化；研讨进一步增加栅极宽度到纳米尺度局域应力和电荷对大尺度微观性质的贡献；设计垂直翻转结构，研讨复杂氧化物体系中的电脉冲诱导电阻翻转效应。研讨复杂氧化物界面的二维超导体系例如LaAlO3/SrTiO3、拓扑绝缘体外表以及拓扑绝缘体/超导体界面、无机/无机半导体界面等复杂低维体系的新奇现象，探求外场电场、光场等调控的能够。2021年度 经过在复杂电子体系的清洁外表原位生长铁磁金属的纳米结构，应用铁磁金属原子与复杂电子体系磁性原子的交流相互作用来直接控制体系的自旋序，完成局域磁场对复杂电子体系的操控。
18、并在此基础上，把外表的铁磁金属米结构做成有序阵列，设计出一些特定的结构来控制复杂电子体系的微观自旋序。我们还将结合纳米图形工艺制备纳米结构，研讨铁磁/半导体异质结中的自旋注入和自旋输运性质，研讨磁性薄膜中电子关联、外表效应、尺寸效应和维度效应对磁性的影响。2021年度进一步深化对以上复杂电子体系中的量子态调控的研讨， 并基于前4年的研讨停顿，初步完成原创性的原型电子器件。一、研讨内容1.研讨空间尺度效应对不同量子序的特征长度及相互关联的影响 强关联电子体系中的一些奇特、新颖的物理现象，譬如铜氧化物的高温超导、锰氧化物的庞磁阻、重费米子体系的非费米液体行为等，都与资料中电荷、晶格、轨道、自旋这四
19、个自在度共存却又相互竞争的关系有着亲密的联络，而这些现象又在很大水平上与资料中非平均散布的空间电荷或许说纳米尺度上的相分别有关。我们将设计和制备新颖的小尺寸复杂氧化物样品结构，研讨复杂氧化物体系在小尺度下与电子相分别相关的呈展现象、电子相分别与微观电输运的关联性；研讨关联电子系统的驱动特性：呈展效应也就是多能量自在度的协作协同惹起的超越它们各自复杂相加的奇特效应；研讨复杂资料内禀的每一层次的关联特征长度和分别各个特征关联的能够性；应用光刻、电子束刻蚀和聚焦离子束刻蚀相结合的方法，将各种复杂氧化单晶薄膜制备成从几微米到几十纳米的各种小尺度结构，研讨空间约束效应对其物性的影响。 2、研讨人工分解方
20、法控制复杂电子体系构型及其物性调控 由于电子关联作用，复杂电子体系的构型，包括晶体结构、化学有序都会对微观物理性质有庞大的影响。我们将在外延生长时，经过选取不同的衬底晶面控制薄膜的晶体取向、经过衬底晶格的大小以及对称性来控制薄膜的晶格常数、键角以及晶体对称性；研讨晶体结构的改动对电子自旋耦合和跃迁几率、体系的微观磁性和电输运性质的调控。以复杂氧化物为重点，深化研讨薄膜晶体结构与衬底结构的关系，在此基础上总结出复杂氧化物外延薄膜生长规律和相图。将薄膜生长与相应的物性测量以及实际解释相结合，获取一套带有普适性的应用调制晶体结构来调控微观物性的方法。研讨由于掺杂元素的随机散布而构成的化学不平均性对物
21、性的影响，不时是强关联物理界关注的重要效果之一。假设采用超晶格外延生长分解化学有序的薄膜，就可以与相似条件生长的具有随机掺杂散布的薄膜相比拟，深化了解化学有序性对物性停止的调制。 3、研讨栅电场变化对复杂电子体系物性的调控 众所周知，关于自旋电荷晶格轨道相互作用构成的体系，粗大的微扰就可以对微观性质发生庞大的影响。但目前对电场等外界微扰如何局域地影响系统微观性质尚缺乏了解。我们将研讨诸如呈展现象在复杂资料中是如何发生并相互竞争等临时困扰本范围的中心效果；在电场驱动复杂氧化物资料可控翻转的基础上，研讨引入铁电资料如PbZrxTi1-xO3 (PZT)完成调控锰氧化物的界面；研讨由外加电压驱动铁电
22、资料控制锰氧化物界面上的应力场和电荷散布；研讨应力诱导相变招致沟道电阻的变化；研讨进一步增加栅极宽度到纳米尺度下的局域应力和电荷对大尺度微观性质的贡献；设计垂直翻转结构，研讨复杂氧化物体系中的电脉冲诱导电阻翻转效应EPIR。 4、研讨可控应力场对复杂电子体系物性调控 庞电阻、庞磁阻、高温超导和金属绝缘体相变，这些目前依然没有完全了解却十分有运用前景的资料，都能受外加应力场的剧烈影响。我们将在外延薄膜进程中，经过衬底与薄膜晶格常数的婚配设计引入外加应力场，即经过调理锰氧化物薄膜中的短程和长程弹性应力来控制微观物性；此外，我们还可以采用晶格近乎完美婚配的衬底，先外延压电陶瓷晶体作为平台，然后外延一
23、层绝缘层，最后再生长相分别复杂金属氧化物薄膜资料，由于压电陶瓷层与复杂金属氧化物层之间绝缘层的存在，就能疏忽压电陶瓷资料界面上的电偶极效应，只精细控制各向异性应力。应用这一新颖的体系，我们就能系统地研讨经过衬底引入的全局应力场对薄膜物性的影响。另外，经过在复杂资料薄膜外表熟长小尺度的晶格失配资料，我们还能研讨局域应力场对全体物性的影响。 5、研讨外表纳米磁性阵列结构的铁磁交流作用控制复杂电子体系的物性 关于复杂电子体系，外磁场经过调理电子自旋序控制其微观物性，但通常只要强磁场才干完成电子自旋序的调控，这就使复杂电子资料很难成为实践运用的磁场感应资料。锰氧化物只要很大的外磁场下才有庞磁阻，难以取
24、代金属磁性薄膜在磁存储器件中的运用。为了处置这一效果，本项目将研讨应用铁磁交流作用影响复杂电子体系的自旋序。引入铁磁交流作用的有效方法就是在复杂电子体系的清洁外表原位生长铁磁金属的纳米结构，并经过铁磁金属原子与复杂电子体系的带磁矩的原子的交流作用，来控制体系的自旋序。虽然这种铁磁交流只会直接作用于复杂体系外表层的原子，但只需复杂体系薄膜足够薄小于铁磁交流长度，就可以经过这种交流作用有效调控体系局部的自旋序。在此基础上，假定把外表的铁磁金属纳米结构做成有序阵列，就能设计出一些特定的结构来控制复杂电子体系的微观自旋序。 6、研讨复杂电子体系的微纳加工与新型电子器件 复杂电子体系空间尺度增加到电子相
25、分别的尺度后，将出现一系列新颖物理现象，有望被推行到增强量子调控才干的电子器件运用中，但是资料体系的复杂性对微加工提出苛刻要求，因此这方面的研讨在国际上还处于起步阶段。如今复杂电子体系的制备加工水平基本处于微米尺度，针对纳米级小尺度复杂电子体系结构制备、加工、测量，还存在诸多效果需求处置。我们将展开制造小尺度复杂电子体系结构的纳米加工技术的研讨，研讨加工的准确可控性，探求不同光刻胶的曝光、显影特性。探求应用电子束曝光技术制备高精度、高分辨率、高对比度的纳米结构的工艺条件；研讨纳米结构图形边缘粗糙度对复杂电子体系结构的结构和物性的影响，探求图形边缘平滑化的工艺；研讨、开发新型复杂电子体系资料、电子束混合曝光用光刻胶；研讨复杂电子体系资料纳米结构的等离子体刻蚀技术。以及复杂金属氧化物等资料的纳米结构的干法刻蚀工艺的准确可控研讨；多步刻蚀工艺制备不同剖面结构的复杂电子体系纳米结构的工艺研讨。在此基础上完成基于复杂金属氧化物二维电子气高速晶体管器件和下一代存储原型器件。
