复杂量子材料与微结构研究组
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FeSe薄膜电子结构研究取得新的突破
15/08/13 12:38
从
2008
年铁基超导发现到今天,寻找具有更高超导转变温度的超导材料和理解高温超导电性的产生机理是科学家追寻的梦想。
FeSe
是铁基超导体里结构最简单的材料,但因为缺少高质量单晶材料,对其电子结构的研究却是极为匮乏。最近,清华大学薛其坤研究组和中科院物理所周兴江研究组利用扫描隧道显微镜(
STM
)和角分辨光电子能谱(
ARPES
)发现,在
SrTiO3(STO)
衬底上生长的单层
FeSe
薄膜,具有铁基超导体里最大的超导能隙,并对应着至少超过
65K
的超导转变温度(
Tc
)。对
FeSe
电子结构的深入研究,对进一步理解铁基超导体的超导机理,以及如何提高材料的超导转变温度,有着极为重要的的意义,因此引起了全球科学家的研究兴趣。
我们组利用分子束外延(
MBE
)设备,成功的在
STO
衬底上生长出了高质量的
FeSe
单晶薄膜,并利用原位的
ARPES
技术,对其电子结构进行了深入系统的研究。首先,我们原位生长并测量得到了单层
FeSe
薄膜的电子结构和超导能隙,证实了单层
FeSe
中存在超过
65K
超导转变温度的迹象
(
图
1)
。而且,我们通过
ARPES
表征
STO
衬底在
FeSe
生长过程中电子结构的演化过程,发现
STO
衬底在
FeSe
生长前的高温退火处理过程中由于大量氧空位的形成,变得非常导电。当单层
FeSe
在
STO
衬底上附着生长时,
STO
中的电子转移给了
FeSe
,并对
FeSe
进行了电子掺杂。我们的研究结果解释了单层
FeSe
处于深度电子掺杂态的电子的来源,对理论构建单层
FeSe
的超导机制模型具有重要的作用。
图
1 FeSe
电子结构随薄膜厚度的演化过程
此外,我们系统的研究了
FeSe
电子结构随着薄膜厚度的演变过程
(
图
1)
。我们逐层生长并原位测量了
FeSe
薄膜的电子结构,发现在厚度大于
2
原子层的所有
FeSe
薄膜中,在相应的特征温度以下,均存在着自旋密度波(
SDW
)。这是实验上第一次从电子结构的角度证实了
FeSe
同其他铁砷类铁基超导体一样,存在着
SDW
,与
LDA
的理论预言结果吻合。研究还发现,在
STO
衬底上生长的
FeSe
薄膜,由于晶格的失配造成
FeSe
薄膜存在着较大的拉伸应变,这种应变随着薄膜厚度的增加而减小,相应的
FeSe
薄膜的晶格常数从单层的
3.90Å
逐渐弛豫到
FeSe
的体的晶格
3.77Å
。在大于
35
原子层的
FeSe
薄膜中,其晶格常数和电子结构不再变化,并代表了体的
FeSe
的性质。我们的结果第一次给出了体的
FeSe
的电子结构,与
LDA
计算结果十分吻合(图
2
)。
图
2 50ML FeSe
正常态和
SDW
态的电子结构
根据以上的实验结果,我们给出了与其他铁基超导体的典型相图极其类似的
FeSe
的相图(图
3
),将铁砷类超导体和铁硒类超导体统一起来。根据相图,我们推测如果能在比
STO
晶格常数更大的衬底上生长单层
FeSe
,并能够对其进行适度的电子掺杂的话,有可能进一步提高其超导转变温度。
图
3 FeSe
相图
我们的研究结果对提高材料的超导转变温度,理解铁基超导材料的超导机理,以及对超导理论模型的构建和检验,均具有重要的意义。该研究结果已经在
Nature Materials
上在线发表(
http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat3654.html
),并被同一期的
News and Views
文章推荐和评述(
http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat3683.html
)。
此项工作得到了国家自然科学基金和科技部
973
计划的支持。
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