FeSe/SrTiO3高温超导体中的电子条纹相

单层FeSe/SrTiO₃中的界面超导增强是近年来高温超导领域的重要发现.该体系中SrTiO₃衬底对FeSe的超导增强机制已被广泛研究,其调控作用主要表现为两个方面:电荷掺杂和界面电声耦合.然而,关于FeSe薄膜本身的电子特性研究还不够充分.本文介绍该体系超导增强机制的新进展:FeSe薄膜中的电子条纹相及其与超导的关联.通过扫描隧道显微镜结合分子束外延生长技术,对不同厚度的FeSe薄膜进行了系统研究.我们发现FeSe薄膜中电子倾向于排成条纹状结构,并观测到该条纹相随层厚变化显现出从短程到长程的演化.条纹相是一种电子液晶态,它源于薄层FeSe中被增强的电子关联作用.表面电子掺杂一方面会减弱FeSe薄膜中的电子关联作用,逐渐抑制条纹相;另一方面会诱导超导相变,而剩余的条纹相涨落会对超导电性带来额外增强.我们的结果加深了对低维界面超导体系的认识,也揭示了FeSe薄膜本征的特异性,完善了对FeSe/SrTiO₃超导增强机制的理解.     

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

SrTiO₃（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FeSe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.     

新型FeSe基超导材料研究进展

FeSe基超导体作为铁基超导材料家族的重要组成部分,已经成为凝聚态物理研究的一个热点领域,对这类超导材料的探索和制备是研究其物理性质的基础.目前,对于FeSe基超导材料的探索主要集中于插层和外延单层FeSe薄膜.其中,通过插层方法获得的FeSe基超导材料具有独特的性质,且种类众多.本文介绍了近年来发现的一系列FeSe基高温超导材料,涵盖K_xFe₂Se₂,A_xNH₃FeSe,LiOHFeSe和有机分子插层FeSe等,并针对各种材料,简述了其性质及影响.     

氧化物异质界面上的准二维超导

由于对称性破缺、晶格失配、电荷转移和空间限域等多自由度的协同关联作用,氧化物异质界面演生出许多与相应体材料所不同的物理性质,其中氧化物界面超导由于蕴含丰富物理内涵吸引了广泛的关注.近年来,得益于氧化物异质外延以及物性精准表征技术的迅猛发展,研究人员已经在多种氧化物异质界面上观测到了准二维的界面超导,并研究了与其相关的许多新奇量子现象,不仅推动了凝聚态物理研究的发展,也为界面超导走向实际应用奠定了重要基础.本文主要介绍和讨论氧化物界面上的准二维超导,以典型的LaAlO₃/SrTiO₃界面准二维超导及La₂CuO₄/La_1.56Sr_0.44CuO₄等铜氧化物界面超导为例,总结分析氧化物界面超导中新奇的物理现象,并指出该研究体系目前存在的一些问题,最后展望界面超导未来的发展方向.     

顺磁性La2/3Sr1/3MnO3层对Bi0.8Ba0.2FeO3薄膜多铁性能的影响

界面效应在提升异质结构材料的多铁性能方面有着重要的作用. 本文采用脉冲激光沉积技术在SrTiO₃(STO)基片上制备了Bi_0.8Ba_0.2FeO₃(BBFO)/La_2/3Sr_1/3MnO₃(LSMO)异质结. X-射线衍射图谱表明异质结呈现单相外延生长, 利用高分辨透射电镜进一步证实了BBFO为四方相结构. X-射线光电子能谱证实异质结中只存在Fe³⁺ 离子, 没有产生价态的变化, 揭示了异质结铁电和铁磁性的增强与BBFO/LSMO的界面有关. 同时, 测试了磁电阻(MR)和磁介电(MD), 当磁场强度为0.8 T, 温度为70 K时, MR约为-42.2%, MD约为21.2%. 并且发现在180 K时出现磁相的转变. 实验结果揭示出异质界面效应在提升材料的多铁性和磁电耦合效应方面具有超常的优点, 是加快多铁材料实际应用的有效途径.     

薛其坤研究团队在界面超导体系的超快动力学研究方面取得进展

正2012年薛其坤研究团队发现了单层FeSe/SrTiO3(FeSe/STO)体系具有高温超导电性,并认为界面增强的电-声子相互作用是该体系超导电性增强的重要原因(Chin.Phys.Lett.29,037402(2012)).该研究工作建立了国际高温超导研究的一个新的研究方向,引起了国际超导界的高度关注,目前很多国内外研究组都开始了对该体系的电子结构、掺杂机理及超导机理等方面的研究并     

过渡金属氧化物界面二维电子气及其超导电性研究

过渡金属氧化物异质界面形成的二维电子气(2DEG)因其丰富的物理性质而备受研究人员关注,其中最具代表性的是能带绝缘体LaAlO₃和SrTiO₃形成的界面.此界面高迁移率的2DEG展现出超导电性、铁磁性、超导和铁磁共存等性质,其他过渡金属氧化物界面系统也显示出高迁移率和类似的新奇量子现象.本文主要介绍过渡金属氧化物异质界面2DEG的超导电性及其研究进展,并着重展示近年来北京师范大学在本领域取得的研究成果.     

Sr/Si界面沉积SrTiO3初始生长阶段的扫描遂道显微术研究

本文工作利用脉冲激光沉积术(PLD)和超高真空扫描隧道显微术(UHV-STM),研究了在Sr/Si(001)-(2×1)衬底表面上真空室温沉积几个单层SrTiO₃薄膜的初始生长过程.经660 ℃退火处理后,Sr/Si衬底表面上形成了纳米岛状结构.经分析,这些纳米小岛为C49-TiSi₂和 C54-TiSi₂.实验结果表明,在没有氧气的情况下退火,Sr/Si界面无法有效阻止SrTiO₃薄膜与Si衬底之间的相互作用. 关键词： 脉冲激光沉积术(PLD) 扫描隧道显微镜(STM) 3')" href="#">SrTiO₃ 2')" href="#">C54-TiSi₂     

氧非正分La0.9Ba0.1MnO3-δ/SrTiO3:Nb p-n异质结的整流特性研究

利用脉冲激光沉积技术在掺Nb的SrTiO₃衬底上制备了氧非正分La_0.9Ba_0.1MnO_3-δ/SrTiO₃:Nb p-n异质结.在20—300K这一较宽的温度范围内获得了光滑的整流曲线.整流实验表明：该p-n异质结的正向扩散电压V_D随着温度升高在薄膜金属—绝缘转变温度附近出现极大值,表现出与氧正分La_0.9Ba_{0. 关键词： 0.9}Ba_0.1MnO_3-δ薄膜')" href="#">La_0.9Ba_0.1MnO_3-δ薄膜 锰氧化物p-n结 整流性质     

YBa2Cu3O7-δ薄膜微结构的同步辐射三维倒空间扫描研究

高温超导薄膜因其微波表面电阻低,可用于尖端高温超导微波器件的制作.然而由于高温超导材料特殊的二维超导机制和极短的超导相干长度,高温超导材料的微波表面电阻对微结构特别敏感.为了探究高温超导材料微结构和微波电阻的联系,采用脉冲激光沉积(PLD)技术在(001)取向的MgO单晶衬底上生长了不同厚度的YBa₂Cu₃O_7-δ(YBCO)薄膜.电学测量发现不同厚度的样品超导转变温度、常温电阻差别不大,但超导态的微波表面电阻差异很大.同步辐射三维倒空间扫描(3D-RSM)技术对YBCO薄膜微结构的表征表明:CuO₂面平行于表面晶粒(c晶)的多寡、晶粒取向的一致性是造成超导态微波表面电阻差异的主要原因.     

高质量FeSe单晶薄膜的制备及相关性能表征

在铁基超导体中,FeSe具有最简单的晶体结构和化学组成,而且其超导转变温度具有较大的调控空间,因此适合作为超导机理研究和应用的载体.高质量样品的研制是物性研究和器件应用的前提,本文系统地研究了利用激光脉冲沉积技术制备FeSe薄膜的工艺条件,在多种衬底上成功地制备出高质量的β-FeSe薄膜,并首次实现了超导临界转变温度从小于2 K到14 K的连续调控,这为FeSe超导机理研究提供了样品支持.为探究FeSe薄膜超导电性变化的起因,从β-FeSe超导电性与晶格常数c正相关出发,基于简单的费米面填充假设,第一性原理计算可以很好地解释晶格常数c的变化规律,但该假设并不能完全符合角分辨光电子能谱实验给出的电子结构演变过程.因此β-FeSe薄膜的超导电性、晶格结构和电子结构三者之间的关系还有待澄清,该问题的解决将为FeSe超导机理研究提供重要的线索,而上述系列高质量的β-FeSe薄膜样品恰好能为该问题的研究提供理想的载体.本文根据实验和已有的相关研究结果,详细介绍了FeSe薄膜的脉冲激光沉积制备及其优化,以期为后续的薄膜研究应用提供参考.     

SrTiO_3(001)衬底上多层FeSe薄膜的分子束外延生长

近几年,由于用分子束外延法在SrTiO_3衬底表面制备的单层FeSe具有很高的超导转变温度而引发了极大的研究热潮,随之而来的是对多层FeSe薄膜日益增长的研究兴趣.但目前还没有对成功生长高质量多层FeSe薄膜的详细报道.本文利用高能电子衍射仪(RHEED)实时监控在不同生长条件下制备的多层FeSe薄膜,发现在FeSe薄膜的生长初期,RHEED图像的强度演化基本符合台阶密度模型的描述特征,即台阶密度ρ正相关于衍射条纹强度.FeSe(02)衍射条纹的强度在第一生长周期内呈现稳定而明显的峰型振荡,而且不受高能电子掠射角的影响,最适合用来标定FeSe薄膜的厚度.结合扫描隧道显微镜对FeSe薄膜质量的原位观察,确定了制备多层FeSe薄膜的最佳生长条件,为FeSe薄膜的物性研究提供了重要的材料基础.     

新型高分辨率电子能量损失谱仪与表面元激发研究

高分辨率电子能量损失谱仪利用单色平行电子束入射样品表面,与表面吸附基团的化学键振动、表面声子、电子及其集体激发模式等相互作用而被散射,通过分析散射电子的能量和动量,可以测量表面化学键、晶格动力学、电子态占据以及表面等离激元等的精确信息,是表面科学研究的有力工具.最近,能够对电子能量、动量做二维成像探测分析的半球形电子能量分析器被引入电子能量损失谱仪,实现了高能量、动量分辨率的高效率测量.在对FeSe/SrTiO_3界面超导增强物理机制的研究中,不同厚度的FeSe膜表面的电子能量损失谱表明衬底光学声子产生的偶极电场能够穿透到薄膜内部,诱导较强的电子-声子耦合作用,从而增强薄膜中电子的配对作用,进而使超导转变温度显著提高.三维拓扑绝缘体Bi_2Se_3表面大动量范围的电子能量损失谱还显示出一支奇异的电子集体激发模式,其色散特征不受晶格周期性的限制,而且其寿命和强度几乎不随动量的增加而衰减.这说明在拓扑绝缘体表面,不仅是狄拉克电子态本身,其集体激发也受到拓扑保护.充分发挥新型电子能量损失谱仪观测表面元激发分辨率高、动态范围大的优势,将有力地推动表面界面凝聚态物理问题研究的深入和发展.     

Molecular beam epitaxy and superconductivity of stoichiometric FeSe and KxFe2_ySe2 crystalline films

Our recent progress in the fabrication of FeSe and KxFe2_ySe2 ultra thin films and the understanding of their superconductivity properties is reviewed. The growth of high-quality FeSe and KxFe2_ySe2 films is achieved in a well controlled manner by molecular beam epitaxy. The high-quality stoichiometric and superconducting crystalline thin films allow us to investigate the intrinsic superconductivity properties and the interplay between the superconductivity and the film thickness, the local structure, the substrate, and magnetism. In situ low-temperature scanning tunneling spectra reveal the nodes and the twofold symmetry in FeSe, high-temperature superconductivity at the FeSe/SrTiO3 interface, phase separation and magnetic order in KxFe2_ySe2, and the suppression of superconductivity by twin boundaries and Fe vacancies. Our findings not only provide fundamental information for understanding the mechanism of unconventional superconductivity, but also demonstrate a powerful way of engineering superconductors and raising the transition temperature.     

Revealing the A_(1g)-type strain effect on superconductivity and nematicity in FeSe thin flake

The driving mechanism of nematicity and its twist with superconductivity in iron-based superconductors are still under debate.Recently,a dominant B_(1 g)-type strain effect on superconductivity is observed in underdoped iron-pnictides superconductors Ba(Fe_(1-x)Co_x)_2 As_2,suggesting a strong interplay between nematicity and superconductivity.Since the long-range spin order is absent in FeSe superconductor,whether a similar strain effect could be also observed or not is an interesting question.Here,by utilizing a flexible film as substrate,we successfully achieve a wide-range-strain tuning of FeSe thin flake,in which both the tensile and compressive strain could reach up to ～0.7%,and systematically study the strain effect on both superconducting and nematic transition(T_c and T_s) in the FeSe thin flake.Our results reveal a predominant A_(1 g)-type strain effect on T_c.Meanwhile,T_s exhibits a monotonic anti-correlation with T_c and the maximum T_c reaches to 12 K when T_s is strongly suppressed under the maximum compressive strain.Finally,in comparison with the results in the underdoped Ba(Fe_(1-x)Co_x)_2 As_2,the absence of B_(1 g)-type strain effect in FeSe further supports the role of stripe-type spin fluctuations on superconductivity.In addition,our work also supports that the orbital degree of freedom plays a key role to drive the nematic transition in FeSe.     

FeSe基超导单晶与薄膜研究新进展:自旋向列序、电子相分离及高临界参数

FeSe基超导体的超导临界温度可大范围调控,物理现象丰富,是非常规超导机理研究的热点.由于较高的超导临界参数及易于加工等特点,FeSe基超导体在超导应用开发方面也日益受到重视.大尺寸高质量的单晶和薄膜形态的FeSe基超导材料,对于相关基础科学研究和应用开发都极为重要.作者近年来先后开发和发明了水热离子交换（ion-exchange）、离子脱插（ion-deintercalation）、基底辅助水热外延生长方法,成功解决了二元FeSe和插层（Li,Fe）OHFeSe超导体高质量单晶和薄膜的生长和物性调控难题.进而在相关物理问题的研究中取得新进展,包括发现二元FeSe中自旋向列序与超导电性密切相关,观测到（Li,Fe）OHFeSe中的电子相分离现象.此外,（Li,Fe）OHFeSe超导薄膜呈现很高的超导临界电流密度和上临界磁场,其应用前景值得关注.     

Moiré superlattice modulations in single-unit-cell FeTe films grown on NbSe2 single crystals

Interface can be a fertile ground for exotic quantum states, including topological superconductivity, Majorana mode, fractal quantum Hall effect, unconventional superconductivity, Mott insulator, etc. Here we grow single-unit-cell (1UC) FeTe film on NbSe₂ single crystal by molecular beam epitaxy (MBE) and investigate the film in-situ with a home-made cryogenic scanning tunneling microscopy (STM) and non-contact atomic force microscopy (AFM) combined system. We find different stripe-like superlattice modulations on grown FeTe film with different misorientation angles with respect to NbSe₂ substrate. We show that these stripe-like superlattice modulations can be understood as moiré pattern forming between FeTe film and NbSe₂ substrate. Our results indicate that the interface between FeTe and NbSe₂ is atomically sharp. By STM-AFM combined measurement, we suggest that the moiré superlattice modulations have an electronic origin when the misorientation angle is relatively small (≤ 3°) and have structural relaxation when the misorientation angle is relatively large (≥ 10°).     

插层FeSe高温超导体的高压研究进展

通过对FeSe进行化学插层可以将其超导转变温度（T_c）从约8 K提高到40 K以上,实现高温超导电性.最近,我们对两种插层FeSe高温超导材料（Li_0.84Fe_0.16）OHFe_0.98Se和Li_0.36（NH₃）_yFe₂Se₂开展了高压调控研究,发现压力会首先抑制高温超导相（称为SC-I相）,然后在临界压力P_c以上诱导出第二个高温超导相（称为SC-Ⅱ相）,呈现出双拱形T-P超导相图.这两个体系的P_c分别约为5和2 GPa,两个体系SC-Ⅱ相的最高T_c分别可以达到约52和55 K,比相应SC-I相的初始T_c提高了10 K.对（Li_0.84Fe_0.16）OHFe_0.98Se的正常态电输运性质分析表明,SC-I和SC-Ⅱ相的正常态分别具有费米液体和非费米液体行为,意味着这两个超导相可能存在显著差异.此外,还发现这两个体系的SC-Ⅱ相的T_c与霍尔系数倒数1/R_H（∝载流子浓度n_e）具有很好的线性依赖关系.对（Li_0.84Fe_0.16）OHFe_0.98Se的高压X射线衍射测量排除了其在10 GPa以内发生结构相变的可能,因此P_c以上SC-Ⅱ相的出现和载流子浓度的增加很可能起源于压力导致的费米面重构.