[논문 리뷰] Phase Diagram and High Temperature Superconductivity at 65 K in Tuning Carrier Concentration of Single-Layer FeSe Films

Shaolong He, Jun-Feng He외 22명|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 30.

Iron-based superconductors research참고 문헌 22인용 수 404

한 줄 요약

이 연구는 단일층 FeSe 에피태크실을 SrTiO3 기질에 적용한 후 진공에서 열처리를 통해 실시간으로 운반체 농도를 조절하여 기록적인 고초전도 전이 온도 65 ± 5 K를 달성하였다. 이 방법은 경쟁하는 N 및 S 상을 포함한 상도도를 제공하며, BCS 유사 갭과 이전의 철기반 초전도체 기록을 초월하는 Tc를 가지는 강한 결합 초전도성을 드러낸다.

ABSTRACT

Superconductivity in the cuprate superconductors and the Fe-based superconductors is realized by doping the parent compound with charge carriers, or by application of high pressure, to suppress the antiferromagnetic state. Such a rich phase diagram is important in understanding superconductivity mechanism and other physics in the Cu- and Fe-based high temperature superconductors. In this paper, we report a phase diagram in the single-layer FeSe films grown on SrTiO3 substrate by an annealing procedure to tune the charge carrier concentration over a wide range. A dramatic change of the band structure and Fermi surface is observed, with two distinct phases identified that are competing during the annealing process. Superconductivity with a record high transition temperature (Tc) at ~65 K is realized by optimizing the annealing process. The wide tunability of the system across different phases, and its high-Tc, make the single-layer FeSe film ideal not only to investigate the superconductivity physics and mechanism, but also to study novel quantum phenomena and for potential applications.

연구 동기 및 목표

• 운반체 농도를 변화시켜 단일층 FeSe 에피태크실의 전자 구조 및 초전도성의 조절 가능성을 탐색하기 위해.
• 화학 도핑 없이 비침습적 열처리 과정을 통해 고Tc 초전도성을 FeSe에서 달성할 수 있는지 확인하기 위해.
• FeSe/SrTiO3 인터페이스가 고Tc 초전도성의 발생에 미치는 역할을 조사하기 위해.
• 기타 철기반 및 구리기반 초전도체에서 관찰된 도핑 진화와 유사한 상도도를 단일층 FeSe에 구축하기 위해.
• 고Tc 메커니즘을 연구하고 양자 장치용 헤테로구조를 설계하기 위한 플랫폼을 제공하기 위해.

제안 방법

• 기질로 사용된 SrTiO3 위에 형성된 단일층 FeSe 에피태크실을 증가하는 온도와 시간 동안 진공에서 열처리하여 운반체 농도를 조절하기 위해.
• 실시간으로 밴드 구조, 페르미 표면 및 초전도 갭의 변화를 추적하기 위해 현장에서의 입사각 분광법(ARPES)을 사용하기 위해.
• 온도 의존성 ARPES 스펙트럼을 측정하여 초전도 갭을 추출하고 갭 소멸 온도로부터 Tc를 추정하기 위해.
• 피크의 날카기와 강도 변화를 모니터링하여 최적의 열처리 조건을 식별하기 위해.
• ARPES 데이터를 STM/STS 측정 결과 및 이론적 예측과 비교하여 초전도 행동을 확인하기 위해.
• 관측된 전자 구조의 진화와 초전도 전이에 기반하여 상도도를 도식화하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일층 FeSe의 초전도성은 화학적 도핑 없이 비화학적 열처리 과정으로 조절될 수 있는가?
• RQ2 단일층 FeSe 에피태크실에서 달성 가능한 최대 Tc는 얼마이며, 이를 밀도상 FeSe 및 다른 철기반 초전도체와 비교할 경우 어떻게 되는가?
• RQ3 열처리 중 N 상과 S 상을 거쳐 전자 구조는 어떻게 변화하며, 이는 서로 경쟁하는 상의 존재를 어떻게 시사하는가?
• RQ4 ARPES로 관측된 갭은 BCS 유사 초전도성과 일치하는가, 아니면 가짜 갭 행동과 일치하는가?
• RQ5 SrTiO3 기질이 단일층 FeSe에서 고Tc 초전도성의 발생에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 최적의 진공 열처리를 통해 단일층 FeSe 에피태크실에서 기록적인 초전도 전이 온도 65 ± 5 K를 달성하였다.
• ARPES로 측정된 초전도 갭은 약 19 meV에 도달하였으며, STM/STS 측정 결과와 20 meV의 값과 매우 유사하였다.
• 비율 2Δ/kBTc는 6–7의 범위에 있었으며, 이는 강한 결합 초전도성을 시사하였다.
• ARPES 데이터는 갭의 온도 의존성이 거의 BCS 유사 형태를 띠었으며, 이는 가짜 갭 기원을 배제하였다.
• 전자 구조는 N상에서 S상으로 뚜렷한 변화를 보였으며, 열처리 중 두 개의 상이 명백히 경쟁하는 것으로 나타났다.
• 장시간의 열처리 후 표면 품질이 악화되어 피크의 넓어짐과 신호 감쇠가 관찰되어 더 이상의 도핑 최적화가 제한되었다.