Science Bulletin：单层FeSe/MgO(001)界面增强超导电性：原子取代诱导电荷转移

【引言】

界面工程是寻找高温超导体的途径。单层FeSe/SrTiO₃的超导转变温度（Tc）范围为40到108 K。目前，两类界面效应对单层FeSe中的高Tc超导性具有显著影响。一是从SrTiO₃衬底到单层FeSe的大量电子掺杂。电子也可通过表面碱金属沉积或离子液体栅极调谐掺杂到FeSe膜中。另一个是FeSe电子和SrTiO₃声子之间的跨界面耦合，进一步提高了超导转变温度。虽然电子掺杂对Tc增强具有重要作用，但是界面电子掺杂的机理尚未完全了解，界面电荷转移的贡献仍需要进一步研究。另外，FeSe/STO(110)，FeSe/TiO₂(001)和FeSe/BaTiO₃(001)也具有相似的高Tc超导性。那么这种界面增强的超导性是否存在于其他氧化物衬底中呢？本文解决了这一问题，并证明了其可行性。

【成果简介】

近日，清华大学的周冠宇（一作）、王立莉和薛其坤，中国科学院物理研究所的谷林和应用物理与计算数学研究所的张平（共同通讯）等人在MgO(001)基底上生长了单层FeSe薄膜，发现了起始转变温度为18 K的增强超导性。扫描透射电子显微镜研究表明， FeSe薄膜中Fe原子扩散到顶部两层MgO中，取代了Mg原子。密度泛函理论计算表明，这种取代促进了从MgO衬底到FeSe薄膜的电荷转移，进而增强了单层FeSe的超导电性。这项工作表明，氧化物基底上的单层FeSe膜中的超导性增强是相当普遍的现象，只要有界面电荷转移发生；通过界面工程寻找新的高温超导性是可行的。相关成果以“Interface enhanced superconductivity in monolayer FeSe films on MgO(001): charge transfer with atomic substitution”为题发表在Science Bulletin上。

【图文导读】

图 1 MgO(001)衬底上单层FeSe薄膜形貌及FeTe层保护下的传输特性

（a）FeTe/FeSe/MgO异质结构的示意图；

（b）MgO(001)上单层FeSe的典型STM形貌图像（V_s = 1.1 V，I_t = 130 pA）；

（c）FeTe/FeSe/MgO异质结的电阻-温度特性（插图：四电极运输测量示意图）；

（d）在0-9T垂直磁场下，另一个退火样品的电阻-温度特性。

图 2 FeTe/FeSe/MgO(001)异质结构的STEM和EELS表征

（a）沿[010]方向FeTe/FeSe/MgO(001)异质结构横截面HADDF图像及原始强度分布（右侧）；

（b）FeSe/MgO界面附近的Fe L₂₃强度及L₃/L₂强度比（插图中白线示意测量区域）。

图 3 MgO（001）衬底上单层FeSe的DFT带拓扑计算

（a）MgO(001)上单层FeSe的示意结构；

（b，c）原始MgO(001)和Fe取代的MgO(001)上的单层FeSe的能带结构，其中红线示意自由单层FeSe能带。

【小结】

MgO(001)衬底上单层FeSe薄膜的超导电性增强源于界面MgO层中的Mg被Fe部分取代诱导的界面电荷转移。这项工作表明，只要有电荷转移，FeSe/氧化物界面就会存在增强超导特性，因此通过界面工程寻找新的高温超导性是可行的。

相关阅读

Zhou G, Zhang Q, Zheng F, et al. Interface enhanced superconductivity in monolayer FeSe films on MgO(001): charge transfer with atomic substitution. Sci Bull, 2018, 63(12): 747-752

https://doi.org/10.1016/j.scib.2018.05.016

Science Bulletin是由中国科学院和国家自然科学基金委员会共同主办、《中国科学》杂志社与Elsevier共同出版的自然科学综合性学术刊物, 致力于快速发表自然科学与技术各领域的原创性研究成果、有洞察力的综述、前瞻性展望以及对热点科学问题的报道和评论。

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