项目名称复杂电子体系的超敏量子调控首席科学家沈健样本Word文档格式.docx

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同步为研究和应用此类现象发展出新技术、新办法，力求在若干核心科学获得突破，并开发出基于复杂电子体系新型多功能电子器件。

通过优化资源、凝聚队伍、合伙攻关、重点突破，提出真正原创性思想，做出一批具备原创性重要成果，获得具备国际影响力重大突破，使国内在新型电子器件研究处在世界前沿。

通过本项目实行，同步培养和锻炼一批具备国际水准学术人才，为参加将来在固态量子计算及有关研究领域上国际竞争建立起一支创新能力强、凝聚力高高水平攻关队伍。

五年预期目的：

从实验上将复杂电子体系空间尺度缩小到电子相分离尺度或维度限制到二维，充分发挥其量子调控能力，从而能在真正意义上实现超敏量子调控。

理论与实验紧密结合，研究电子输运过程与复杂体系内各自由度互相作用，探讨在小系统中实现由电学控制各自由度办法。

理解基于复杂体系新型电子器件所面临各种基本问题，提出真正原创性思想，使国内在新型电子器件研究处在世界前沿。

五年详细目的如下：

1）获得复杂氧化物尺寸效应及在临界点相变特性。

实现运用外界磁场、电场、应力场对复杂氧化物电输运和磁性质超敏控制。

2）通过控制复杂氧化物表面、界面构造、化学组分，获得新磁性构造，并与硅技术相结合，实现高效自旋电子器件。

3）实现尺寸效应、外电场引起对称性破缺对石墨烯以及氧化物异质结纳米器件中能带调控。

发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应用。

4）建立局域受限后过渡族金属复杂氧化物输运特性理论模型。

研究运用纳米加工手段减少复杂金属氧化物维度后，异于块体和薄膜输运模型，建立一种新理论模型对新现象加以解释。

5）摸索出与既有CMOS工艺兼容复杂氧化物及石墨烯材料制备加工技术，涉及采用电子束光刻技术制备亚微米/纳米构造、精准可控纳米尺度等离子体刻蚀技术等，实现500-100nm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二维电子气高速晶体管、下一代存储器和其他新型电子器件原型。

6）申报专利20项以上；

每年刊登论文40篇以上，其中至少有20篇文章刊登在影响因子为3或以上杂志上；

每年培养先进博士研究生和博士后20名以上，为国内外重要科学研究基地输送合格人才。

建立起一支在国际上有关研究领域具备影响力学术团队。

三、研究方案

1）学术思路：

本项目总体思路是瞄准国家科学中长期发展规划中关于量子调控和固态量子计算战略目的，环绕如何实现复杂电子体系中超敏量子调控，重点研究空间尺度、维度、构型以及序竞争对微观（电子相分离、量子相变）、宏观（磁、电等）物理性质以及体系各种场效应影响，摸索复杂电子体系表征方式和超敏量子调控途径。

在此基本上，开发以复杂电子体系为基本新型电子器件。

在课题设臵上注意与前期已经执行项目在研究内容上互相补充，相辅相成，与此同步，理论与实验相结合，各课题之间研究内容既有其独特性，互相之间又具备很强关联，从而发挥合伙攻关优势。

在人员构成上注意强强联合，充分发挥实验物理学家与理论物理学家合伙攻关优势，使得观测到物理现象可以及时在理论上进行理解，同步理论又可以指引下一步实验进行方向。

在详细技术路线确立上，将力求精确把握国际上有关领域重大科技发展动向，并结合项目参加单位在有关研究领域丰富研究工作基本、技术积累及国内详细国情，在详细技术路线确立上，将力求精确把握国际上有关领域重大科技发展动向，并结合项目参加单位在有关研究领域丰富研究工作基本、技术积累及国内详细国情，抓住小尺度下复杂氧化物等超敏量子调控研究尚处在摸索阶段，未形成明确世界格局机遇，兼顾强调自主创新与总体技术路线可行性两方面因素，力求在该研究领域获得系列自主知识产权，培养与完善研究队伍建设，增进国内在有关领域可持续发展。

对于复杂氧化物空间受限体系研究，咱们将以分子束外延和脉冲激光分子束外延所生长单晶薄膜为基点，运用各种微、纳加工办法，构造尺度可控受限体系，发现新物理现象，并通过化学掺杂、应力、栅控电场、铁磁互换作用等，调制体系各种量子序极其共存态，让体系能最敏感地响应外界物理参数变化。

实现复杂电子系统样品制备和研究其超敏量子调控是本项目重点，详细研究方案拟定也将环绕这方面展开。

2）技术途径：

a）复杂电子系统样品制备

咱们将运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），通过优化生长条件，制备出构造、化学组分、应力可控高质量复杂电子体系薄膜，并进行微、纳加工，以得到尺寸、构型可控复杂电子空间受限体系，满足后续物性测量以及器件构造需求。

由于一旦当材料空间尺度缩小到几十纳米如下，其边界效应将不可忽视，而对单晶薄膜微纳加工不可避免会引入边界缺陷，为了实现干净纳米尺度下空间束缚体系，咱们将发展一套新颖样品制备工艺（如下图所示）：

在单晶复杂氧化物材料制备之前，运用电子束刻蚀或者聚焦离子束刻蚀预先使衬底图形化，再运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进行而非在样品上，样品图案是通过衬底诱导自发形成，不需要离子束轰击和化学解决过程，既没有粗糙边沿带来缺陷，也避免了刻蚀过程不可避免引入某些外加掺杂。

此外，咱们还会运用超晶格合成化学有序薄膜来研究化学有序性对物性调制。

以锰氧化物为例，La0.5Ca0.5MnO3中掺杂Ca2+离子，在普通状况下是空间随机分布。

但如果用外延办法将单层LaMnO3和单层CaMnO3换层堆积成超晶格构造，则该超晶格体系就成了Ca2+离子化学有序排列La0.5Ca0.5MnO3体系。

将这两个体系物性直接做比较，咱们但愿可以直接观测到化学有序掺杂在La0.5Ca0.5MnO3体系中扮演角色。

类似办法固然也可以推广到其他复杂电子体系生长中去。

b）复杂材料体系呈呈现象

咱们将设计如下图所示可控勉励新器件。

运用锰氧化物La1-x－yPrxCayMnO3（LPCMO）独特性质来做晶体管沟道材料，虽然此器件构造上类似于普通场效应管，但基本原理却是基于锰氧化物薄膜中电荷相分离呈展效应。

由于这些材料复杂强关联本质，加在薄膜上电场可以明显变化内部电荷序，因而输运沟道性质（金属－绝缘体相变）会随着这些相变化而变化，从而控制通道导通。

此外，咱们还将引入铁电材料如PbZrxTi1-xO3（PZT）来调控锰氧化物界面，实现由外加电压驱动铁电材料控制锰氧化物界面上应力场和电荷分布。

由于PZT是一种铁电材料，可以受电场控制实现双向翻转，进而双向驱动锰氧化物相变。

并且PZT还是一种压电材料，即外加电场还可以同步变化晶体构造形状，使得通过外加应力来调控沟道中锰氧化物材料成为也许，从而实现应力诱导相变导致沟道电阻变化。

c）材料表征

对于上述各种材料，依照所要进行测试以及开展后续工作所需规定，使用相应常规样品表征手段如XRD、SEM、TEM、STM、AFM、电阻率、迁移率、磁阻、磁矩测量等进行表征，研究样品表面及内部晶格构造和有关物性。

同步把所得到成果反馈回样品生长和微、纳加工人员，以摸索最佳样品制备条件，不断完善，最后得到符合规定样品。

d）微加工和器件制备

本项目许多研究内容都涉及到对样品进行微米至纳米尺度微加工。

中科院微电子因此及本项目有关课题组具备各类进行微加工所需要设备如电子束曝光（EBL）、反映离子束刻蚀（RIE）、聚焦离子束刻蚀（FIB）等，同步各课题构成员都具备进行样品微加工近年经验积累，通过摸索微加工工艺，最后得到开展后续实验所需进行微加工样品。

e）物性测试

在所得到样品上运用各课题组已有测试手段以及各依托单位公用设备，在特定条件下（极低温、强磁场、极高压）进行霍尔电阻、隧道谱、磁阻、SQUID、比热、光谱、亚微米量级激光扫描共聚焦荧光显微光谱等各项与有序量子态所体现出物性有关实验，得到与量子有序态有关物理信息。

通过比对不同样品、不同条件下实验成果，总结出量子有序态在外部条件影响下发生变化规律，找出对量子有序态起重要作用参量，进而理解不同系统中量子有序态受到某些特定条件影响下所发生变化过程和物理机理，掌握其规律，摸索出对量子有序态进行调控新思路、新办法。

f）理论分析和理论模仿

理论成员将积极配合实验组,在两方面开展理论研究：

（1）针对实验中提出问题和观测到现象，进行理论分析，构造理论模型及进行理论模仿，从而获得进一步理解以推动有关实验开展；

（2）开展理论前瞻性研究，从理论基本，新现象预言，实验方案设计等方面为实验工作开展方向提供参照。

四、年度筹划

制备高质量样品，摸索微纳加工技术，以研究空间尺度效应对不同量子序特性长度及互有关联影响，建立局域受限后过渡族金属复杂氧化物输运特性理论模型。

通过PLD，CVD，悬浮区法，自助熔剂法，磁控溅射、MBE等多样材料生长办法，制备高质量石墨烯、复杂材料低维界面等各类物理体系样品。

摸索复杂氧化物微纳加工技术，运用光刻、电子束刻蚀和聚焦离子束刻蚀相结合办法，将各种复杂氧化单晶薄膜制备成从几微米到几十纳米各种小尺度构造，研究空间束缚效应对其物性影响。

运用铝膜辅助电子束刻蚀技术和聚焦离子束刻蚀制备亚100纳米线宽图形，在此基本上运用原子力显微镜进一步摸索30纳米线宽图形刻蚀技术。

并将电子相分离研究对象从LaPrCaMnO3拓展到更多复杂氧化物，进一步筛选出更多具备超敏量子调控性能材料。

发展计算复杂电子体系表面电子构造和输运性质新办法，复杂电子体系由于构造复杂，原有基于平衡态电子构造计算和基于线性响应理论电导理论都需要改进。

全面展开对复杂电子体系中序竞争及其诱导新现象研究。

将筛选出材料在外延生长时，通过选用不同衬底晶面控制薄膜晶体取向、通过衬底晶格大小以及对称性来控制薄膜晶格常数、键角以及晶体对称性；

研究晶体构造变化对电子自旋耦合和跃迁几率、体系宏观磁性和电输运性质调控，研究超晶格形成维度调控对物性影响。

以复杂氧化物为重点，进一步研究薄膜晶体构造与衬底构造关系，在此基本上总结出复杂氧化物外延薄膜生长规律和相图。

针对所要研究物理问题与相应检测手段设计并制备高品质石墨烯器

件，研究外界电场磁场作用下石墨烯中量子输运营为所需器件设计与制备。

运用低温超高真空STM-AFM联用系统对所制备石墨烯器件进行研究，摸索其在应力作用下量子输运特性。

运用栅极场实现电场驱动复杂氧化物材料可控翻转，研究引入铁电材料如PbZrxTi1-xO3（PZT）实现调控锰氧化物界面；

研究由外加电压驱动铁电材料控制锰氧化物界面上应力场和电荷分布；

研究应力诱导相变导致沟道电阻变化；

研究进一步缩小栅极宽度到纳米尺度局域应力和电荷对大尺度宏观性质贡献；

设计垂直翻转构造，研究复杂氧化物体系中电脉冲诱导电阻翻转效应。

研究复杂氧化物界面二维超导体系（例如LaAlO3/SrTiO3）、拓扑绝缘体表面以及拓扑绝缘体/超导体界面、有机/无机半导体界面等复杂低维体系新颖现象，摸索外场（电场、光场等）调控也许。

通过在复杂电子体系清洁表面原位生长铁磁金属纳米构造，运用铁磁金属原子与复杂电子体系磁性原子互换互相作用来间接控制体系自旋序，实现局域磁场对复杂电子体系操控。

并在此基本上，把表面铁磁金属米构造做成有序阵列，设计出某些特定构造来控制复杂电子体系宏观自旋序。

咱们还将结合纳米图形工艺制备纳米构造，研究铁磁/半导体异质结中自旋注入和自旋输运性质，研究磁性薄膜中电子关联、表面效应、尺寸效应和维度效应对磁性影响。

进一步深化对以上复杂电子体系中量子态调控研究，并基于前4年研究进展，初步实现原创性原型电子器件。

一、研究内容

1.研究空间尺度效应对不同量子序特性长度及互有关联影响

强关联电子体系中某些奇特、新颖物理现象，譬如铜氧化物高温超导、锰氧化物庞磁阻、重费米子体系非费米液体行为等，都与材料中电荷、晶格、轨道、自旋这四个自由度共存却又互相竞争关系有着密切联系，而这些现象又在很大限度上与材料中非均匀分布空间电荷或者说纳米尺度上相分离关于。

咱们将设计和制备新颖小尺寸复杂氧化物样品构造，研究复杂氧化物体系在小尺度下与电子相分离有关呈呈现象、电子相分离与宏观电输运关联性；

研究关联电子系统驱动特性：

呈展效应——也就是多能量自由度合伙协同引起超过它们各自简朴相加奇特效应；

研究复杂材料内禀每一层次关联特性长度和分离各个特性关联也许性；

运用光刻、电子束刻蚀和聚焦离子束刻蚀相结合办法，将各种复杂氧化单晶薄膜制备成从几微米到几十纳米各种小尺度构造，研究空间束缚效应对其物性影响。

2、研究人工合成办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，复杂电子体系构型，涉及晶体构造、化学有序都会对宏观物理性质有巨大影响。

咱们将在外延生长时，通过选用不同衬底晶面控制薄膜晶体取向、通过衬底晶格大小以及对称性来控制薄膜晶格常数、键角以及晶体对称性；

研究晶体构造变化对电子自旋耦合和跃迁几率、体系宏观磁性和电输运性质调控。

将薄膜生长与相应物性测量以及理论解释相结合，获取一套带有普适性运用调制晶体构造来调控宏观物性办法。

研究由于掺杂元素随机分布而形成化学不均匀性对物性影响，始终是强关联物理界关注重要问题之一。

如果采用超晶格外延生长合成化学有序薄膜，就可以与类似条件生长具备随机掺杂分布薄膜相比较，进一步理解化学有序性对物性进行调制。

3、研究栅电场变化对复杂电子体系物性调控

众所周知，对于自旋－电荷－晶格－轨道互相作用构成体系，细小微扰就可以对宏观性质产生巨大影响。

但当前对电场等外界微扰如何局域地影响系统宏观性质尚缺少理解。

咱们将研究诸如呈呈现象在复杂材料中是如何产生并互相竞争等长期困扰本领域核心问题；

在电场驱动复杂氧化物材料可控翻转基本上，研究引入铁电材料如PbZrxTi1-xO3（PZT）实现调控锰氧化物界面；

研究进一步缩小栅极宽度到纳米尺度下局域应力和电荷对大尺度宏观性质贡献；

设计垂直翻转构造，研究复杂氧化物体系中电脉冲诱导电阻翻转效应（EPIR）。

4、研究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，这些当前依然没有完全理解却非常有应用前景材料，都能受外加应力场强烈影响。

咱们将在外延薄膜过程中，通过衬底与薄膜晶格常数匹配设计引入外加应力场，即通过调节锰氧化物薄膜中短程和长程弹性应力来控制宏观物性；

此外，咱们还可以采用晶格近乎完美匹配衬底，先外延压电陶瓷晶体作为平台，然后外延一层绝缘层，最后再生长相分离复杂金属氧化物薄膜材料，由于压电陶瓷层与复杂金属氧化物层之间绝缘层存在，就能忽视压电陶瓷材料界面上电偶极效应，只精细控制各向异性应力。

运用这一新颖体系，咱们就能系统地研究通过衬底引入全局应力场对薄膜物性影响。

此外，通过在复杂材料薄膜表面生长小尺度晶格失配材料，咱们还能研究局域应力场对整体物性影响。

5、研究表面纳米磁性阵列构造铁磁互换作用控制复杂电子体系物性

对于复杂电子体系，外磁场通过调节电子自旋序控制其宏观物性，但普通只有强磁场才干实现电子自旋序调控，这就使复杂电子材料很难成为实际应用磁场感应材料。

锰氧化物只有很大外磁场下才有庞磁阻，难以取代金属磁性薄膜在磁存储器件中应用。

为理解决这一问题，本项目将研究运用铁磁互换作用影响复杂电子体系自旋序。

引入铁磁互换作用有效办法就是在复杂电子体系清洁表面原位生长铁磁金属纳米构造，并通过铁磁金属原子与复杂电子体系带磁矩原子互换作用，来控制体系自旋序。

虽然这种铁磁互换只会直接作用于复杂体系表面层原子，但只要复杂体系薄膜足够薄（不大于铁磁互换长度），就可以通过这种互换作用有效调控体系局部自旋序。

在此基本上，若把表面铁磁金属纳米构造做成有序阵列，就能设计出某些特定构造来控制复杂电子体系宏观自旋序。

6、研究复杂电子体系微纳加工与新型电子器件

复杂电子体系空间尺度缩小到电子相分离尺度后，将浮现一系列新颖物理现象，有望被推广到增强量子调控能力电子器件应用中，但是材料体系复杂性对微加工提出苛刻规定，因而这方面研究在国际上还处在起步阶段。

当前复杂电子体系制备加工水平基本处在微米尺度，针对纳米级小尺度复杂电子体系构造制备、加工、测量，还存在诸多问题需要解决。

咱们将开展制作小尺度复杂电子体系构造纳米加工技术研究，研究加工精准可控性，摸索不同光刻胶曝光、显影特性。

摸索运用电子束曝光技术制备高精度、高辨别率、高对比度纳米构造工艺条件；

研究纳米构造图形边沿粗糙度对复杂电子体系构造构造和物性影响，摸索图形边沿平滑化工艺；

研究、开发新型复杂电子体系材料、电子束混合曝光用光刻胶；

研究复杂电子体系材料纳米构造等离子体刻蚀技术。

以及复杂金属氧化物等材料纳米构造干法刻蚀工艺精准可控研究；

多步刻蚀工艺制备不同剖面构造复杂电子体系纳米构造工艺研究。

在此基本上实现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。