FeSe超导薄膜的研究进展

FeSe及其相关化合物的高温超导性引起了凝聚态物理研究人员的广泛关注。在所有铁基超导体中,FeSe的成分和晶体结构最为简单,只存在铁基超导体最基本的结构单元FeSe层。FeSe超导体具有特殊的电子结构和物理特性,是铁基高温超导机制研究的理想平台。2012年,薛其坤组在SrTiO_3(STO)衬底表面采用分子束外延(MBE)法生长了单层FeSe薄膜,发现该体系的超导转变温度(TC)有接近80K的迹象,引起人们的广泛关注。先简要地介绍了FeSe晶体,FeSe/石墨烯薄膜的超导特性,再详细介绍了FeSe/SrTiO_3高温超导薄膜的输运性质、超导特性、电子结构以及可能影响单层FeSe/SrTiO_3薄膜高温超导的几个因素。

表面吸附K原子的多层FeSe/SrTiO3(001)薄膜的抗磁响应的原位测量

SrTiO_3(001)单晶表面上生长的单层FeSe薄膜显示出了超乎寻常的高温超导电性,其超导增强机制的一个重要因素是电子由衬底转移到了单层FeSe薄膜当中.基于此认识,研究者们在吸附了钾(K)原子的多层Fe Se薄膜表面上观察到了类似超导能隙的隧穿能谱和光电子能谱.但这种自上而下的电子掺入方式在多层FeSe薄膜表面上可能引起的高温超导电性,还缺乏零电阻或迈斯纳效应等物性测量实验的直接证实.本研究利用自行研制的一台特殊的多功能扫描隧道显微镜,在生长于SrTiO3(001)衬底上的多层FeSe薄膜表面上,不但观察到了超导能隙随K吸附量的变化,而且利用原位双线圈互感测量技术,成功地的观察到了该薄膜的抗磁响应,并由此确定了该薄膜样品呈现迈斯纳效应的超导转变温度为23.9 K.其穿透深度随温度的变化呈二次幂指数关系,表明该体系的超导序参量很可能具有S~±配对对称性.

SrTiO3(001)衬底上单层FeSe超导薄膜的分子束外延生长

在以前工作的基础上,进一步研究了SrTiO3(001)(STO)衬底上单层FeSe超导薄膜的分子束外延生长.首先,通过去离子水刻蚀、盐酸溶液腐蚀和纯氧气氛中退火等步骤,获得台阶有序、具有单一TiO2终止的原子级平整表面的STO衬底,这是前提条件.这个过程中酸的选择和退火过程中氧的流量是最为关键的因素.其次,在FeSe薄膜的分子束外延生长中,选择适当的Fe源和Se源束流以及衬底温度是关键因素.如选择适当,生长模式为step-?ow生长,这时得到的FeSe薄膜将是原子级平整的.最后一步为退火,这个过程会增强FeSe薄膜结晶性以及它与SrTiO3衬底间的结合强度.

电子掺杂下FeSe二维性的增强

本文利用离子液体调控对FeSe薄膜进行电子掺杂,研究了超导增强过程中FeSe超导涨落行为的演化.顺电导分析表明,随着温度降低,超导涨落维度从二维过渡到三维;并且,随着电子掺杂,三维涨落的温度区间逐渐减小,这表明FeSe层间耦合强度逐渐减弱,体系二维性增强.FeSe调控后的高T_(c)态与插层FeSe基材料不仅具有相近的T_(c)(~40 K),并且都表现出较强的二维性,这暗示着二维性的增强对于FeSe超导的增强起着重要作用.