无机半导体波色爱因斯坦凝聚的研究

This project is based on the previous work about the manganese oxide with three oxidation states and the atomic p-n junction. Main attention will be paid on the Ⅲ-Ⅴ, Ⅱ-Ⅳand Ⅲ-Ⅳ-Ⅴgroup inorganic semiconductors and their electrical transport, pairing and Bose-Einstein condensation properties. The project will be performed by the method of disproportionation reaction, combined with the Molecular Beam Epitaxy (MBE) technique. The control of the mixed valence states is very important in the field of the solid chemistry and can affect the interaction of electron, spin and lattice. Furthermore, new concept exciton crystal will be designed based on the complicated arrangement of the electron in inorganic semiconductor. The exciton crystal are stable Mott-Hubbard insulator and can form Bose-Einstein condensation through the stable electron pairs which are made of excitons in the applied field. We make it possible to study the superconductivity at or above room temperature. The importance of the project is that we modulate the electronic states in inorganic semiconductor materials and construct the stable exciton structure through chemical and physical approaches. We hope to explore a direct way to realize the superconductivity at or above room temperature.

本项目基于过渡金属锰氧化物三重价态及原子尺度p-n结等前期研究工作，以歧化反应为主要合成手段，结合分子束外延技术，以Ⅲ-Ⅴ﹑Ⅱ-Ⅳ与Ⅲ-Ⅳ-Ⅴ族无机半导体材料为研究对象，开展对其电子输运、成对、波色爱因斯坦凝聚的研究。元素混合价态的控制是固体化学领域重要的调控手段，直接影响着固体中电子、自旋、晶格之间的相互作用。另外，利用无机半导体电子结构丰富多变设计合成新概念激子晶体。该激子晶体是稳定的Mott-Hubbard绝缘体，其在外场下以激子为媒介生成稳定的电子对，并发生波色爱因斯坦凝聚，从而实现室温及室温以上超导。本项目的意义在于通过化学等手段对无机半导体材料进行原子层面调控，构筑稳定激子结构，对于探索在更高温度或室温下实现超导开拓出一条独辟蹊径的道路。

波色爱因斯坦凝聚态是物质的一种新物态，其粒子体现相同的量子数，深入对波色态的研究是进一步揭示超导等科学问题的本质，并可能开创研究超导新的思路。自从1973年，Bardeen提出了以激字为媒介实现高温超导的理论设计后，很多精力就投到无机半导体材料中，但由于无法消除半导体与金属层间的化学势，相关研究工作就此搁置。在前期过渡金属锰氧化物的原子级P-N结研究基础上，利用无机半导体中电子结构丰富多变和易于裁剪的特性，提出在无机半导体中构筑特殊电子组态的原子结构，如制备在原子尺度上具有An-1-Bn-Cn+1（如：Ga-Si-As）结构单元的化合物材料，这种结构单元是激子生成以及提供单电子的必要条件，从而在双电子层中实现激子的波色凝聚，并以激子为媒介， 探索激子如何使电子成对并发生波色凝聚的物理模型。通过对Si基底表面的化学处理，，得到了不同原子排列的表面重构，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质量GaSb外延膜,由于应力的完美释放，在其表面生长的薄膜出现了2D的鱼骨状的超晶格。缺陷作为激子的复合中心，有效地被抑制从而提高了半导体材料中的激子浓度；加之GaSb材料具有较弱的激子束缚能，易于产生激子——电子对,这两方面都有利于在更高温度下实现激子的玻色态凝聚。利用分子束外延方法，精确控制Ge、Sb、Te三者的束流比，在非化学计量比的条件下得到大小一致和均匀分布的Ge2Sb2Te5纳米粒子,同时克服在Sb2Te3与Ge失配较大的问题，外延生长出结晶度高，表面平整的Sb2Te3/Ge异质结。多元硫化物半导体材料具有丰富多变的晶体和电子结构，利用胶体合成Cu−Sb−S等半导体纳米晶及其相选择机制与载流子调控。如，其中Cu3SbS4 的晶体结构与铁基等高温超导体类似。我们通过热注入法，相选择控制地合成了CuSbS2、Cu3SbS3、Cu12Sb4S13和Cu3SbS4四种不同的结构相四种具有不同组成和晶体结构的Cu−Sb−S纳米晶，其中其中Cu3SbS4 的结构与铁基等高温超导体类似，为进一步研究超导提供了基础。