高通量薄膜技术构建铁基超导相图 | Science Bulletin
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diagrams on composition-spread FeyTe1−xSex films
Zefeng Lin, Sijia Tu, Juan Xu, Yujun Shi, Beiyi Zhu, Chao Dong, Jie Yuan, Xiaoli Dong, Qihong Chen, Yangmu Li, Kui Jin, Zhongxian Zhao
Science Bulletin, 2022, 67(14): 1443–1449
doi: 10.1016/j.scib.2022.06.015
构建FeyTe1−xSex电子态相图面临两大挑战，即块体富Se区域发生相分离和单一变量精准调控困难。针对这一问题，中科院物理所林泽丰博士在金魁研究员的指导下，与合作者一起将新一代连续组分单晶薄膜技术引入该体系中，在一厘米长度单晶衬底上成功制备出Se连续变化(0 ≤ x ≤1)的组合单晶薄膜，继而绘制了FeyTe1−xSex(x，y)三维相图空间的两个y截面(y=0.8, 0.74)输运相图，并建立起其与文献报道的自旋结构间的构效关系。
简介
FeyTe1−xSex中，反铁磁(FeTe端)和向列序(FeSe端)分别位于超导区域的两侧，是研究电子态间相互作用关系的理想平台。然而，富Se组分的块材易发生相分离，不利于建立完整相图。另外，Te和Se元素的易挥发性使得传统样品制备技术难以实现精细的组分控制。
高通量薄膜技术能够实现材料组分的连续变化。近期，金魁团队发展新一代高通量组合单晶薄膜技术，并应用于电子型铜氧化物La2−xCexCuO4高温超导体系，成功揭示了超导转变温度与奇异金属散射间的普适物理规律。领域同行期待该技术能在更多超导材料中发挥高效率、高控制精度优势，加速解决关键物理问题。针对单一变量调控精度要求，该团队成功研制出连续组分FeyTe1−xSex单晶薄膜。(1)利用自动掩膜确保一个生长周期内FeyTe和FeySe两个端点组分在一个单胞厚度内(1 U.C.)交替生长，形成0 ≤ x ≤ 1的连续组分；重复生长周期获得目标厚度组合单晶薄膜(如图1)。(2)成分分析表明x随薄膜位置线性变化，而y保持不变。(3)微区X射线衍射(光斑宽度0.2 mm)表明未发生“相分离”。(4)微尺度输运测量在一片组合薄膜上获得∆x ~ 0.0074的电学性质演化(如图1e)。最后，绘制出FeyTe1−xSex(x，y)三维相图中两个y截面输运相图，结合文献报道的自旋结构，给出金属性与单条纹结构、绝缘性与双共线结构之间存在着潜在的对应关系(如图2)。图1 FeyTe1−xSex连续组分薄膜的制备和输运测量。(a)FeSe薄膜生长的RHEED振荡及(b)RHEED图案；(c)FeyTe1−xSex连续组分薄膜的生长示意图；(d)数个周期的FeyTe1−xSex连续组分薄膜示意图；(e)不同Se组分(x)的电阻率−温度曲线。
图2 FeyTe1−xSex组合薄膜相图。(a)随x和y变化的三维超导相图；(b)随x和温度变化的微分电阻率相图，并给出FeyTe1−xSex的长程反铁磁序、向列序和超导区域。相图引入了文献给出的短程自旋结构示意图。
该工作首次将高通量薄膜技术应用到高温超导铁基家族中，克服了富Se组分块材中存在的相分离难题，实现了单一变量的连续变化和跨尺度表征，在组合单晶薄膜上快速构建Fe含量固定的FeyTe1−xSex电子输运相图，为持续推进材料基因实验技术与高温超导研究领域深度交叉融合提供新的案例。
通讯作者
金魁 中国科学院物理研究所研究员. 主要研究：开拓高通量超导研究方向，探索高温超导机理，推进超导薄膜实用化进程.
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