丁翠 劉充 張慶華 龔冠銘 汪恒 劉效治 孟繁琦楊好好 武睿 宋燦立3) 李渭3) 何珂3) 馬旭村3)谷林3) 王立莉3)? 薛其坤3)?

1)(清華大學(xué)物理系,低維量子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)

2)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所,先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)室,北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心,北京 100190)

3)(量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心,北京 100084)

單層FeSe/SrTiO3界面增強(qiáng)超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)為理解高溫超導(dǎo)機(jī)理提供了一個(gè)新的途徑,也為實(shí)現(xiàn)新的高溫超導(dǎo)體開(kāi)拓了新思路.本文通過(guò)在SrTiO3(001)表面高溫沉積Mg進(jìn)而沉積單層FeSe薄膜,制備出了FeSe/MgO雙層/SrTiO3異質(zhì)結(jié).利用掃描隧道顯微鏡研究了異質(zhì)結(jié)的電學(xué)及超導(dǎo)特性,觀測(cè)到約14—15 meV的超導(dǎo)能隙,比體相FeSe超導(dǎo)能隙值增大了5—6倍,與K摻雜雙層FeSe/SrTiO3的超導(dǎo)能隙值相當(dāng).這一結(jié)果可理解為能帶彎曲造成的界面電荷轉(zhuǎn)移和界面處電聲耦合共同作用導(dǎo)致的超導(dǎo)增強(qiáng).FeSe/MgO界面是繼FeSe/TiO2之后的一個(gè)新界面超導(dǎo)體系,為研究界面高溫超導(dǎo)機(jī)理提供了新載體.

1 引 言

2012年,本研究組[1]在以TiO2為終止面的Sr-TiO3(001)襯底上生長(zhǎng)出單層FeSe薄膜,并發(fā)現(xiàn)其具有20 meV的超導(dǎo)能隙,這比體相FeSe 2.2 meV的超導(dǎo)能隙提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)[2].這一發(fā)現(xiàn)立即引起了人們對(duì)界面高溫超導(dǎo)體系的探索和對(duì)界面高溫超導(dǎo)機(jī)理的研究.輸運(yùn)測(cè)試證明SrTiO3(001)襯底上單層FeSe的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可達(dá)65 K[3,4],甚至高達(dá)104 K[5],是迄今為止報(bào)道的鐵基超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc的最高值.更有趣的是,在其他TiO2為截止面的氧化物(包括BaTiO3[6],SrTiO3(110)[7?9]以及金紅石和銳鈦礦相TiO2[10,11]等)襯底上生長(zhǎng)的單層FeSe都具有相似的高溫超導(dǎo)特性,盡管應(yīng)力作用導(dǎo)致這些襯底上的單層FeSe薄膜具有不同的晶格常數(shù)[12,13].角分辨光電子譜測(cè)試顯示這類(lèi)單層FeSe具有獨(dú)特的費(fèi)米面結(jié)構(gòu):體相FeSe費(fèi)米面由布里淵區(qū)角附近的電子型能帶和中心位置空穴能帶共同構(gòu)成[14];而單層FeSe費(fèi)米面僅剩余布里淵區(qū)角附近的電子型能帶,并且電子型口袋尺寸增大[15?17].費(fèi)米面結(jié)構(gòu)的變化表明單層FeSe從TiO2類(lèi)襯底得到大量電子,量化估計(jì)為每個(gè)鐵原子得到0.12 e[16].另一方面,通過(guò)表面蒸鍍鉀[18]、堿金屬[19]或分子插層[20]、離子液體調(diào)控[21?23]等手段,對(duì)石墨烯襯底上外延生長(zhǎng)的FeSe薄膜或體相FeSe進(jìn)行電子重?fù)诫s,可提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度至40—50 K,對(duì)應(yīng)的超導(dǎo)能隙達(dá)10—14 meV,普遍低于FeSe/TiO2體系[13].這些結(jié)果表明,除了界面電荷轉(zhuǎn)移,FeSe/TiO2界面還存在其他影響,對(duì)超導(dǎo)具有進(jìn)一步的增強(qiáng)作用.確實(shí),實(shí)驗(yàn)上已觀測(cè)到FeSe電子與Ti—O振動(dòng)相關(guān)聲子間的耦合作用[9,11,17,24,25],耦合強(qiáng)度隨著與界面距離的增加而指數(shù)衰減[24].巧合的是,SrTiO3上單層FeSe超導(dǎo)特性產(chǎn)生與Ti—O鍵增強(qiáng)同步[25],其上K摻雜多層FeSe膜超導(dǎo)能隙大小亦隨與界面距離的增加做指數(shù)衰減[26,27].由此推斷,FeSe薄膜中的電子和襯底中與Ti—O振動(dòng)對(duì)應(yīng)的聲子相互耦合,會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)該體系的超導(dǎo)電性.這一觀點(diǎn)也得到了理論計(jì)算的支持[28?31].

FeSe/TiO2界面與銅基或Fe基高溫超導(dǎo)體中的內(nèi)稟超導(dǎo)層/電荷庫(kù)層界面具有類(lèi)似性,理解其界面增強(qiáng)超導(dǎo)機(jī)理和發(fā)現(xiàn)新的FeSe/氧化物界面對(duì)理解高溫超導(dǎo)機(jī)理意義重大.高溫超導(dǎo)材料中,CuO2或FeAs超導(dǎo)層與BaO,SrO,LaO和SmO等氧化物電荷庫(kù)層交錯(cuò)堆垛[32?34]:氧化物電荷庫(kù)層內(nèi)主要由原子替代產(chǎn)生載流子,載流子通過(guò)界面轉(zhuǎn)移到超導(dǎo)層,這樣保持超導(dǎo)層純凈,即避免/降低雜質(zhì)散射,有利于實(shí)現(xiàn)宏觀超導(dǎo)態(tài).FeSe/TiO2界面處電荷轉(zhuǎn)移具有異曲同工之妙,TiO2充當(dāng)電荷庫(kù)層,界面能帶彎曲導(dǎo)致電荷轉(zhuǎn)移,這也是被廣為認(rèn)可的界面增強(qiáng)效應(yīng)[35].而關(guān)于界面電-聲耦合對(duì)超導(dǎo)的貢獻(xiàn),有待更多實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)來(lái)確定,發(fā)現(xiàn)新的界面超導(dǎo)體系并開(kāi)展對(duì)比研究尤其重要.本研究組[36]在MgO(001)襯底上生長(zhǎng)了單層FeSe薄膜,并通過(guò)輸運(yùn)測(cè)試初步觀測(cè)到了18 K超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度,表明FeSe/MgO界面具有增強(qiáng)超導(dǎo)電性.但受MgO原子級(jí)平整度及清潔度所限,其上單層FeSe薄膜結(jié)晶性很差,且MgO襯底的強(qiáng)絕緣性阻礙了低溫掃描隧道譜對(duì)其超導(dǎo)能隙的低溫觀測(cè).本文在SrTiO3(001)襯底上沉積Mg原子得到了具有原子級(jí)平整表面的MgO雙層島,并進(jìn)一步沉積單層FeSe,得到FeSe/MgO雙層/SrTiO3(001)異質(zhì)結(jié).低溫掃描隧道譜測(cè)量表明,該異質(zhì)結(jié)具有14—15 meV的超導(dǎo)能隙.這一體系的發(fā)現(xiàn)為界面高溫超導(dǎo)機(jī)理研究提供了新載體.

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 樣品生長(zhǎng)

使用Nb摻雜濃度為0.5%的SrTiO3(001)單晶作為襯底材料,在Omicron超高真空分子束外延(molecular beam epitaxy,MBE)系統(tǒng)中進(jìn)行樣品生長(zhǎng).系統(tǒng)的背底真空度優(yōu)于1.0×10?10mbar(1 bar=105Pa).在進(jìn)行單層FeSe薄膜生長(zhǎng)之前,先將SrTiO3襯底加熱至1100?C退火1 h,以此獲得具有平直的單胞高度(3.90 ?)臺(tái)階和原子級(jí)平整的TiO2終止表面.隨后,將襯底溫度降至850?C,再沉積鎂(99.99%),鎂源溫度為190?C.Mg與SrTiO3分解出的氧反應(yīng),在SrTiO3(001)表面形成MgO島.然后,在襯底溫度為400?C的條件下共沉積鐵(99.995%)和硒(99.999%)得到單層FeSe薄膜[1].Fe源和Se源溫度分別為1070?C和155?C,對(duì)應(yīng)的Fe/Se速流比約為1:10,FeSe膜的生長(zhǎng)速率約為0.14原子層/min.最后,將樣品溫度升高至450?C退火1 h,以此得到超導(dǎo)FeSe薄膜.

2.2 樣品表征方法

利用真空手提箱(10?8mbar)把樣品轉(zhuǎn)移到Createc低溫掃描隧道顯微鏡系統(tǒng).在4.2 K下,采用PtIr針尖進(jìn)行單層FeSe薄膜形貌、局域電子態(tài)密度和局域功函數(shù)測(cè)量.其中,局域電子態(tài)密度通過(guò)dI/dV譜獲得,即固定針尖位置,關(guān)閉掃描隧道電子顯微鏡(scanning tunneling microscope,STM)系統(tǒng)的反饋電路,利用鎖相技術(shù)對(duì)樣品施加937 Hz,幾十mV偏壓調(diào)制,獲得dI/dV隨偏壓V的變化關(guān)系.局域功函數(shù)通過(guò)固定樣品偏壓,關(guān)閉STM系統(tǒng)反饋電路,記錄電流lnI隨針尖高度的變化而得到.擬合(lnI-z關(guān))系得到斜率d lnI/dz,將其代入計(jì)算得到局域隧穿勢(shì)壘?[37],其中電流I的單位為A,高度z的單位為?.局域隧穿勢(shì)壘由針尖功函數(shù)和樣品局域表面功函數(shù)共同決定[37],連續(xù)測(cè)量過(guò)程中STM針尖狀態(tài)穩(wěn)定即可認(rèn)為針尖功函數(shù)不變,那么局域隧穿勢(shì)壘的變化就反應(yīng)出樣品局域表面功函數(shù)的變化.

利用掃描透射電子顯微鏡(scanning transmission electron microscopy,STEM)對(duì)樣品的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征前,將樣品加蓋10層FeTe膜作為保護(hù)層,以避免樣品在轉(zhuǎn)移過(guò)程中被氧化.采用聚焦離子術(shù)法制備STEM實(shí)驗(yàn)樣品,聚焦離子術(shù)的加速電壓為30 kV,電流從2.5 nA逐漸減小,刻蝕得到10 nm厚的橫斷面薄片.然后用2 kV的加速電壓和40 pA的電流對(duì)樣品進(jìn)行拋光處理.STEM測(cè)量在一臺(tái)配備了雙球面相差(Cs)校正器的ARM200CF(JEOL)設(shè)備上進(jìn)行,工作能量為200 keV,分辨率為78 pm.對(duì)于高角環(huán)形暗場(chǎng)像(high angle annular dark f i eld,HAADF),數(shù)據(jù)采集角度為90—370 mrad.能量色散X射線光譜(energy dispersive X-ray,EDX)實(shí)驗(yàn)在一臺(tái)具有雙球面相差校正的FEI TITAN ChemiSTEM設(shè)備上進(jìn)行,工作電壓為300 kV.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1(a)和圖1(b)顯示了SrTiO3(001)表面上沉積Mg后的表面形貌.Mg與襯底中氧反應(yīng)在SrTiO3(001)臺(tái)面上形成了高度為4.0 ?、橫向尺度約為10—40 nm的MgO島.同時(shí),原本平直的SrTiO3(001)表面臺(tái)階變得蜿蜒曲折,說(shuō)明有大量MgO優(yōu)先吸附在SrTiO3(001)臺(tái)階邊緣形成條形MgO島.MgO島的高度等于SrTiO3(001)表面上原生臺(tái)階的高度4.0 ?,因此從STM形貌圖中不易分辨出二者的邊界.隨著Mg沉積量的增加,島覆蓋度會(huì)逐漸增多,但由于SrTiO3中分解出的氧有限,繼續(xù)增加Mg沉積量并不能形成更高的MgO單晶島,而是形成無(wú)序非晶團(tuán)簇膜均勻堆砌于襯底表面.

圖1(c)和圖1(d)分別顯示了連續(xù)(即相同針尖狀態(tài)下)在島上和島間(圖1(b)中圓點(diǎn)所標(biāo)示位置)測(cè)得的lnI隨z的變化關(guān)系.對(duì)圖1(c)和圖1(d)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,得到的局域隧穿勢(shì)壘高度相近,分別是3.44 eV和3.48 eV,說(shuō)明島上和島間的局域表面功函數(shù)相近.體相MgO的功函數(shù)和SrTiO3的功函數(shù)相差較大,分別為4.94 eV[38]和4.5 eV[25].這里島上功函數(shù)與島間功函數(shù)相近,可歸結(jié)為尺寸效應(yīng),生長(zhǎng)于SrTiO3襯底上的MgO薄膜的表面功函數(shù)值比體相MgO功函數(shù)值顯著降低,且薄膜越薄,功函數(shù)值越低[39].

圖1 SrTiO3襯底表面上沉積Mg后的STM結(jié)果 (a)和(b)是STM形貌圖(Vs=2 V,It=40 pA);(c)和(d)是(b)圖中圓點(diǎn)所示島上和島間多個(gè)位置點(diǎn)的lnI隨針尖位置z的變化曲線Fig.1.STM characterization after Mg deposition on SrTiO3(001)substrate:(a),(b)STM topographic images(Vs=2 V,It=40 pA);(c),(d)the lnI measured as a function of increase in tip-sample distance z taken on the island and between the islands,respectively,at the positions marked by dots in(b).

圖2 (a)是單層FeSe薄膜的STM形貌圖,除了島邊界處存在一些無(wú)序,與圖1(a)和圖1(b)所示的MgO/SrTiO3形貌基本相似,說(shuō)明FeSe在島上和島間均勻外延生長(zhǎng).圖2(b)—(e)顯示了STEM測(cè)量結(jié)果.圖2(b)是橫截面的HAADF圖,顯現(xiàn)出兩種界面結(jié)構(gòu):左側(cè)為FeSe/雙TiO2界面,與本征SrTiO3襯底上結(jié)果[40]一致;右側(cè)是一種新界面,在FeSe與TiO2層之間存在一原子排布更密集的區(qū)域.圖2(c)和圖2(d)分別是在新界面區(qū)域獲得的高分辨HAADF圖和EDX圖,其中藍(lán)色部分對(duì)應(yīng)FeTe/FeSe薄膜,綠色部分對(duì)應(yīng)SrTiO3襯底,中間紫色區(qū)域具有雙倍于TiO2層的原子密度.圖2(d)的EDX圖是對(duì)Sr,Mg,Ti和Fe元素的組合圖,顯示了Mg分離于Fe和Ti層之間,空間寬度為4.0—5.0 ?,與圖1(a)和圖1(b)所示STM形貌圖中島的高度相當(dāng).圖2(e)顯示了圖2(c)中黃色箭頭所示跨越界面區(qū)域處Ti和Fe的電子能量損失譜.在FeSe層下0—1.0 ?范圍內(nèi),Fe的L23積分強(qiáng)度有著不為零的微小數(shù)值,但Fe的L3和L2的峰值強(qiáng)度比I(L3)/I(L2)在實(shí)驗(yàn)誤差內(nèi)幾乎不變,說(shuō)明界面處無(wú)明顯Fe原子擴(kuò)散,Fe的化學(xué)價(jià)與薄膜內(nèi)一致.綜合以上STEM結(jié)果,可以推斷新界面結(jié)構(gòu)為FeSe/MgO雙層/SrTiO3.

圖3顯示了單層FeSe膜的原子分辨像和掃描隧道譜.圖3(a)和圖3(b)分別是450?C退火1 h后,處于島間和島上單層FeSe薄膜的原子分辨形貌像,其中插圖為對(duì)應(yīng)的快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)圖,給出單層FeSe面內(nèi)晶格常數(shù)均為(3.9±0.1)?.相對(duì)而言,位于島間的單層FeSe薄膜上有較多缺陷,形貌上顯示為啞鈴狀和十字形兩種.啞鈴狀原子對(duì)源于Fe位缺陷,鐵位缺陷對(duì)與其相連的兩個(gè)頂層Se電子態(tài)產(chǎn)生影響,故而顯示為啞鈴狀原子對(duì)[41].十字形缺陷很可能是源于SrTiO3表面上殘留的極少量Mg原子,在Sr處理的SrTiO3(001)上單層FeSe膜上也觀測(cè)到類(lèi)似的十字形缺陷[42].在460?C二次退火之后,島上和島間單層FeSe膜上的缺陷密度均明顯增加(見(jiàn)圖3(e)和圖3(f)),導(dǎo)致這一結(jié)果的可能原因是島邊緣的無(wú)序雜質(zhì)(圖2(a)所示)隨著退火擴(kuò)散到了單層FeSe薄膜中.

圖2 界面結(jié)構(gòu)的STM,STEM和EDX表征 (a)單層FeSe薄膜表面的STM形貌圖;(b),(c)異質(zhì)結(jié)橫截面沿[010]方向的HAADF原子分辨圖,(c)是圖(b)中右側(cè)局部區(qū)域放大圖;(d)圖(c)對(duì)應(yīng)區(qū)域的Sr,Mg,Ti,和Fe元素EDX數(shù)據(jù)和HAADF組合圖,圖中兩條黃色虛線之間的距離是4.0 ?;(e)Ti(紅色實(shí)心圓)和Fe(黑色實(shí)心方塊)原子L23的積分強(qiáng)度以及Fe原子L3和L2的積分強(qiáng)度比I(L3)/I(L2)(藍(lán)色實(shí)心方塊)沿圖(c)黃色箭頭所示位置變化,坐標(biāo)零點(diǎn)被設(shè)定在FeSe層與MgO層分界處Fig.2.STM,STEM and EDX characterization of interface structure:(a)STM topographic images of monolayer FeSe;(b),(c)atomically resolved cross sectional HAADF images of the hetero-structure capped with FeSe layers viewed along[010]direction;(d)a combination of HAADF image and EDX map of Sr,Mg,Ti and Fe elements,the two yellow dashed lines are 4.0 ? separated;(e)integrated intensity of the Ti L23-edge(red dotted curve)and Fe L23-edge EELS(black squared curve)and the corresponding Fe I(L3)/I(L2)ratio(blue squared curve)taken along the yellow line shown in(c),the zero point is set at the interface between substrate and monolayer FeSe.

圖3 單層FeSe薄膜經(jīng)兩次退火后的STM結(jié)果 (a)和(b)分別是島間和島上單層FeSe薄膜在450?C退火后的STM形貌圖((a)Vs= ?0.1 V,It=300 pA;(b)Vs= ?0.1 V,It=200 pA),插圖為FFT圖;(c)和(d)分別顯示了圖(a)和(b)中所示位置的隧穿譜(Vs=30 mV,It=500 pA);(e)和(f)分別是島間和島上的單層FeSe薄膜在460?C二次退火后的STM形貌圖((e)Vs=?0.08 V,It=500 pA,(f)Vs=?0.15 V,It=500 pA);(g)和(h)分別顯示了圖(f)和圖(e)中圓點(diǎn)所示位置的隧穿譜(Vs=40 mV,It=500 pA);(i)十字形缺陷附近的隧穿譜(Vs=40 mV,It=500 pA),插圖顯示了測(cè)試點(diǎn);(c),(d),(g),(i)圖中虛線標(biāo)示有助于分辨超導(dǎo)能隙相干峰位置變化Fig.3.STM characterization of monolayer FeSe after annealing twice:(a),(b)STM topographic images((a)Vs=?0.1 V,It=300 pA and(b)Vs=?0.1 V,It=200 pA)of monolayer FeSe between the islands and on the island annealed at 450?C,respectively,with corresponding FFT image inserted;(c),(d)tunneling spectra taken at positions marked as dots in(a)and(b),respectively;(e),(f)STM topographic images((e)Vs= ?0.08 V,It=500 pA and(f)Vs= ?0.15 V,It=500 pA)of monolayer FeSe between the islands and on the island annealed at an increased temperature of 460?C,respectively;(g),(h)tunneling spectra taken at positions marked as dots in(f)and(e),respectively;(i)tunneling spectra taken around an impurity in monolayer FeSe on the island,at positions marked as dots in the inset topographic image.The spectra shown in(c)and(d)were taken at Vs=30 mV,It=500 pA,and the spectra in(g),(h)and(i)Vs=40 mV,It=500 pA.In(c),(d),(g)and(i),the horizontal bars indicate the zero-conductance position of each curve,and the dashed lines are guide for eyes,showing the change of superconducting gaps.

測(cè)量島間和島上單層FeSe薄膜的掃描隧道譜以表征其電子性質(zhì),圖3(c)和圖3(d)分別展示了450?C退火后島間和島上單層FeSe薄膜的dI/dV譜.與本征SrTiO3(001)上單層FeSe薄膜結(jié)果[1]一致,島間單層FeSe膜的dI/dV譜顯示出U形超導(dǎo)能隙,并且在±10 meV和±18 meV處各有一對(duì)相干峰.島上單層FeSe薄膜同樣具有U形超導(dǎo)能隙,但僅有一對(duì)位于±(14—15)meV的清晰相干峰.再次退火后,FeSe薄膜與襯底之間的界面耦合作用增強(qiáng)[43],島上FeSe薄膜的超導(dǎo)能隙相干峰更為清晰(圖3(g)).圖3(i)顯示了島上單層FeSe薄膜中十字形缺陷附近的dI/dV譜,在缺陷中心位置,零偏壓電導(dǎo)依然為零,但在超導(dǎo)能隙內(nèi),+9 meV處出現(xiàn)增強(qiáng)共振峰.此共振峰在離缺陷中心一個(gè)晶格距離a0處依然存在,在2a0之外消失.島間單層FeSe膜中的缺陷密度已如此之高以致于遠(yuǎn)離雜質(zhì)中心位置的超導(dǎo)特性亦被明顯抑制.圖3(h)顯示了距離最近鄰缺陷中心5a0(圖3(e)中圓點(diǎn)所示)處的dI/dV譜,此距離遠(yuǎn)大于雜質(zhì)態(tài)出現(xiàn)的空間尺度2a0,可以看出原±18 meV處相干峰消失,超導(dǎo)能隙值顯著減小.

4 結(jié)果討論

位于島間的單層FeSe膜具有與本征SrTiO3上單層FeSe薄膜相同的超導(dǎo)性質(zhì),但由于表面殘留Mg原子導(dǎo)致了新的十字形雜質(zhì)缺陷.本工作的主要發(fā)現(xiàn)是在島上單層FeSe膜,即FeSe/MgO雙層/SrTiO3界面,觀測(cè)到14—15 meV的超導(dǎo)能隙.參照目前對(duì)FeSe/SrTiO3界面增強(qiáng)超導(dǎo)的理解,即能帶彎曲導(dǎo)致界面電荷轉(zhuǎn)移以及界面電聲耦合共同作用,本文對(duì)FeSe/MgO雙層/SrTiO3界面結(jié)果提出以下可能解釋.首先,受襯底調(diào)制作用,外延MgO雙層的功函數(shù)值降低至與SrTiO3功函數(shù)值相當(dāng),且低于FeSe功函數(shù)值,這使得界面電荷轉(zhuǎn)移成為可能.假設(shè)能帶彎曲是導(dǎo)致界面電荷轉(zhuǎn)移的主要原因,那么,MgO雙層與SrTiO3表面功函數(shù)相當(dāng)意味FeSe/MgO雙層/SrTiO3和FeSe/TiO2中單層FeSe從界面層獲得相近的電子摻雜.其次,若僅考慮FeSe電子與SrTiO3聲子耦合,這種作用強(qiáng)度隨著與SrTiO3表面距離的增大呈指數(shù)衰減[24,26,27].FeSe/MgO雙層/SrTiO3中單層FeSe膜較FeSe/SrTiO3中單層FeSe膜距離SrTiO3遠(yuǎn)4 ?(即MgO雙層厚度),而直接生長(zhǎng)于SrTiO3上的第二層FeSe膜比單層FeSe距離Sr-TiO3遠(yuǎn)5.5 ?(即單層FeSe厚度). 巧合的是,Sr-TiO3上的第二層FeSe膜在通過(guò)表面K原子吸附得到充足電子后具有14—15 meV的能隙[26,27],低于SrTiO3上單層FeSe的超導(dǎo)能隙值(18—20 meV)[1,7,26],這正是第二層FeSe中電子與Sr-TiO3聲子耦合強(qiáng)度隨距離增加而指數(shù)衰減的結(jié)果.綜合以上兩方面因素,FeSe/MgO雙層/SrTiO3中具有14—15 meV超導(dǎo)能隙這一結(jié)果貌似可以被歸結(jié)為能帶彎曲導(dǎo)致界面電荷轉(zhuǎn)移和FeSe電子與SrTiO3聲子耦合共同作用的結(jié)果.但值得特別強(qiáng)調(diào)的是,MgO體材具有約50 meV的高能聲子[44,45],MgO(001)表面有約80 meV的高能F-K聲子[46],這些高能聲子是否能增強(qiáng)FeSe膜中的電子配對(duì)值得進(jìn)一步研究.

參照重電子摻雜FeSe超導(dǎo)能隙值與超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系[20?22],估計(jì)FeSe/MgO雙層/SrTiO3上14—15 meV超導(dǎo)能隙值對(duì)應(yīng)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度約 40—50 K,遠(yuǎn)高于我們之前通過(guò)輸運(yùn)測(cè)試在體相MgO(001)襯底上單層FeSe薄膜中觀測(cè)到18 K的界面增強(qiáng)超導(dǎo)這一初步結(jié)果[36].在FeSe與體材料MgO(001)界面,Fe原子替代界面1—2層MgO中Mg原子,降低了界面MgO層功函數(shù),進(jìn)而導(dǎo)致界面電荷轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)對(duì)單層FeSe的電子摻雜[36].在FeSe/MgO雙層/SrTiO3體系中,在界面附近并未觀測(cè)到明顯的Fe原子擴(kuò)散/替代(圖2(e)).不同于體相MgO(001)襯底上單層FeSe膜上存在大量空位島和團(tuán)簇,本文中的單層FeSe膜是大面積均一的單晶膜,具有更低的雜質(zhì)/無(wú)序度,這可能是觀測(cè)到更強(qiáng)超導(dǎo)特性的一個(gè)重要原因.為了進(jìn)一步確定FeSe/MgO界面的超導(dǎo)特性,需要系統(tǒng)研究不同厚度MgO島上單層FeSe膜的超導(dǎo)電性.這需要利用脈沖激光沉積(pulsed laser deposition,PLD)[39]或氧化物MBE等技術(shù),在充足氧氣氛下和更低襯底溫度下沉積Mg以保證形成更高質(zhì)量的MgO單晶島.進(jìn)一步,通過(guò)改變MgO層厚和生長(zhǎng)過(guò)程中的氧分壓,可調(diào)控MgO薄膜功函數(shù)在2—5 eV范圍內(nèi)連續(xù)變化[39],在此基礎(chǔ)上開(kāi)展系列輸運(yùn)、掃描隧道譜和角分辨光電子譜研究可完善超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度對(duì)載流子濃度相圖以及揭示電聲耦合作用與費(fèi)米面和能帶之間的關(guān)聯(lián).

最后,簡(jiǎn)單討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可能應(yīng)用.模擬銅基超導(dǎo)體和鐵基超導(dǎo)體中氧化物層/超導(dǎo)層/氧化物層的三明治結(jié)構(gòu),構(gòu)建TiO2/FeSe/TiO2三明治結(jié)構(gòu)已被公認(rèn)為是進(jìn)一步提高單層FeSe薄膜超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的有效途徑[12,31,47].相比于TiO2單晶膜,MgO單晶層可在更低的生長(zhǎng)溫度下獲得[48],因此FeSe/MgO雙層/SrTiO3體系的這一發(fā)現(xiàn)可能推進(jìn)制備多層異質(zhì)結(jié)以進(jìn)一步提高單層FeSe超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的實(shí)驗(yàn)進(jìn)程,如制備MgO/FeSe/TiO2或TiO2/MgO/FeSe/TiO2等多層異質(zhì)結(jié).

5 結(jié) 論

構(gòu)建了單層FeSe/MgO雙層/SrTiO3異質(zhì)結(jié)并觀測(cè)到了14—15 meV的超導(dǎo)能隙.這一發(fā)現(xiàn)預(yù)示MgO是繼TiO2之后又一可以增強(qiáng)單層FeSe薄膜超導(dǎo)電性的氧化物層.該發(fā)現(xiàn)不僅為研究高溫超導(dǎo)機(jī)理提供了一個(gè)新平臺(tái),也為制備氧化物/FeSe/氧化物三明治結(jié)構(gòu)提供了新方案,有望實(shí)現(xiàn)利用雙界面效應(yīng)進(jìn)一步提高單層FeSe的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度.