单层异质薄膜FeSe/SrTiO3、FeSe/BaTiO3的磁性和超导性研究文献综述

 2023-10-07 08:10

文献综述

（一）课题研究现状及发展趋势

2012年，清华大学薛其坤教授研究组利用分子束外延生长技术，以STO为衬底，首次成功生长了单层的FeSe薄膜，并发现该薄膜具有20 meV的超导能隙，意味着其超导转变温度有可能超过液氮(77 K)温度[1]。随后，中科院物理所周兴江研究组和复旦大学封东来研究组的变温角分辨光电子谱研究分别显示，该体系的电子结构不同于体相FeSe，其超导能隙直到65 K甚至70 K才消失[2]。但是，在盖有保护层的单层FeSe/STO上的传统输运测量只给出了23K的零电阻温度，远远低于人们的预期。

2014年6月，中国复旦大学材料实验室曹海元为首的研究组表示，在SrTiO (STO)基片上生长的FeSe薄膜中观察到了超导体转变温度(T) 超过60 K和自旋密度波(SDW) 的迹象，这表明了超导体与磁性之间存在着强相互作用。通过第一原理的计算，他们发现，当存在氧空位时，基体诱导的拉伸应变通过增强经硒原子桥连的次近邻超交换反铁磁作用，趋于稳定FeSe薄膜中的共线反铁磁(CAF)态。在衬底中，从衬底到第-层FeSe层的显著电荷转移会抑制其中的磁序，从而产生高温超导性，此外，当FeSe生长在无缺陷的STO衬底上时，由于Fe中电荷的重新分布，CAF状态的稳定性降低。通常，重电子掺杂也会抑制自旋涨落，从而破坏超导性，但系统中的扩展晶格常数会增强磁性，从而保持超导性。他们的研究结果为最近的实验结果提供了全面的微观解释，为进-步探索超导界面奠定了基础[3]。2015年3月，贾金峰教授研究组利用原位四探针技术，与合作者清华大学薛其坤教授一起，首次在导电SrTiO3（STO）衬底上生长的单层FeSe薄膜（FeSe/STO）中观察到了100 K以上的高温界面超导现象，这一研究工作在国际上引起了很大反响，它是对界面增强超导最直接的实验验证，证实了该体系存在高温超导的预测，也将对高温超导机理研究产生重要的促进作用[4]。

2016年9月，方运，谭世勇，赖新春发表了“FeSe薄膜的超导进展”，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筒单,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[5]。

2018年10月，中国复旦大学物理实验室证明铁基高温超导体(Fe-HTS)的超导转变温度(T)的记录-直是56 K。最近，在SrTiO3亚层上出现了新的65 K 的Tc记录。在原位光发射测量中，证实了FeSe薄膜中存在自旋密度中缺失的Fe-HTS的关键成分，随着厚度的增加或应变的减小而减弱。他们证明了在转移过来的电子抑制原本最明显的SDW时，就会发生超导[6]。

（二）研究的意义和价值

FeSe作为晶体结构和化学组成最简单的铁基超导体,存在诸多奇特的物理特性，如报道测量到的最高超导Te高达108 K，远高于其他铁基超导体。FeSe晶体随着压力增大,超导转变温度迅速增大；FeSe晶体和多层FeSe薄膜在结构转变温度附近出现的向列序；FeSe薄膜在不同衬底上完全不同的超导特性；FeSe/SrTiO薄膜随着厚度变化所表现出的特殊规律。此外，多层FeSe薄膜存在狄拉克锥能带色散和铁空位有序无序转变等现象。正因其存在诸多物理特性，所以FeSe超导体为研究铁基高温超导体的起源和超导特性提供了绝佳的平台[7-11]。（三）参考文献

  1. [1]薛其坤. 非常规高温超导到底非常规在什么地方? [A]. 中国化学会. 中国化学会第28届学术年会“化学的创新与发展论坛”摘要集[C]. 中国化学会, 2012: 1.
  2. [2]Tan Shiyong, Zhang Yan, Xia Miao, Ye Zirong, Chen Fei, Xie Xin, Peng Rui, Xu Difei, Fan Qin, Xu Haichao, Jiang Juan, Zhang Tong, Lai Xinchun, Xiang Tao, Hu Jiangping, Xie Binping, Feng Donglai. Interface-induced superconductivity and strain-dependent spin density waves in FeSe/SrTiO3thin films.[J]. Nature materials, 2013, 12 (7).
  3. [3]张马淋, 葛剑峰, 段明超, 姚钢, 刘志龙, 管丹丹, 李耀义, 钱冬, 刘灿华, 贾金锋. SrTiO3(001)衬底上多层FeSe薄膜的分子束外延生长[J]. 物理学报, 2016, 65(12): 254-261.
  4. [4]方运, 谭世勇, 赖新春 .FeSe超导薄膜的研究进展[J]. 材料导报, 2016, 30 (17): 26-35.
  5. [5]Wang Zhijun, Zhang P, Xu Gang, Zeng L K, Miao H, Xu Xiaoyan, Qian T, Weng Hongming, Richard P, Fedorov A V, Ding H, Dai Xi, and Fang Zhong. Topological nature of the FeSe0.5Te0.5 superconductor[J]. Phys. Rev. B, 2015, 92: 115119.
  6. [6]Winiarski M J, Samsel-Czekala M, Ciechan A. Strain effects on electronic structure and superconductivity in the iron telluride[J]. Intermetallics, 2014, 52: 97e100.
  7. [7]丁翠, 刘充, 张庆华, 龚冠铭, 汪恒, 刘效治, 孟繁琦, 杨好好, 武睿, 宋灿立, 李渭, 何珂, 马旭村, 谷林, 王立莉, 薛其坤. 单层FeSe薄膜/氧化物界面高温超导[J]. 物理学报，2018, 67: 207415.
  8. [8]Wu Xianxin, Qin Shengshan, Liang Yi, Fan Heng and Hu Jiangping. Topological characters in Fe(Te1-xSex) thin films[J]. Phys. Rev. B, 2016, 93: 115129.

  9. [9]Liu Kai, Gao Miao, Lu Zhong-Yi, and Xiang Tao. First-principles study of FeSe epitaxial films on SrTiO3[J]. Chin. Phys. B, 2015, 24(11): 117402.

  10. []孙建平, 王铂森, 程金光. FeSe单晶的高压研究进展[J]. 科学通报, 2017, 62: 3925-3934.

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