[논문 리뷰] Superconductivity above 28 K in single unit cell FeSe films interfaced with GaO$_{2-\delta}$ layer on NdGaO$_{3}$(110)

Haohao Yang, Guanyu Zhou외 13명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 18.

Iron-based superconductors research참고 문헌 40인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 GaO2-δ-terminated NdGaO3(110) 기반에서 성장한 단일 단위셀 FeSe 필름에서 인터페이스 강화 초전도성을 입증하며, 초전도 전이 온도(Tc)의 시작점이 28 K에 도달하여 균질한 FeSe의 8 K보다 크게 향상됨을 보여준다. 이 향상은 전하 이동에 의해 발생하는 인터페이스 전자 도핑으로 인한 것으로, 스캐닝 투과 전자현미경 및 전자 에너지 손실 분석을 통해 확인되었으며, FeSe/GaO2-δ는 산화물 인터페이스에서 고온 초전도성 연구를 위한 새로운 플랫폼을 제공한다.

ABSTRACT

We prepared single unit cell FeSe films on GaO$_{2-\delta}$ terminated perovskite NdGaO$_{3}$(110) substrates and performed ex situ transport and scanning transmission electron microscopy measurements on the FeTe protected films. Our experimental measurements showed that the single unit cell FeSe films interfaced with GaO$_{2-{\delta}}$ layer are electron doped via interface charge transfer. Most importantly, this type of heterostructure can host interface enhanced superconductivity with an onset temperature of about 28 K, which is much higher than the value of 8 K in bulk FeSe. Our work indicates that FeSe/GaO$_{2-{\delta}}$can be a comparative platform with the FeSe/TiO$_{2-{\delta}}$ family for understanding the mechanism of interface enhanced high temperature superconductivity.

연구 동기 및 목표

• GaO2-δ-terminated NdGaO3(110) 기반에서 단일 단위셀 FeSe 필름이 고온 초전도성을 유도할 수 있는지 조사하기.
• 균질한 FeSe를 초월하여 초전도 전이 온도(Tc)를 향상시키는 데 기여하는 인터페이스 전하 이동 및 전자 구조의 역할을 탐구하기.
• FeSe/GaO2-δ 시스템을 기존의 FeSe/TiO2-δ 시스템과 비교하여 초전도 특성 및 인터페이스 메커니즘 측면에서 분석하기.
• GaO2-δ를 고온 초전도성 이종구조를 공학적으로 설계하기 위한 실용적인 산화물 캡핑층으로 확립하기.

제안 방법

• 초고진공 조건 하에서 분자빔 에피택시(MBE)를 이용해 GaO2-δ-terminated NdGaO3(110) 기반에 단일 단위셀 FeSe 필름을 에피택셜 성장시키기.
• 10% HCl를 이용한 습식 화학 에칭 후 930 °C에서 O2 기류 조건에서 열처리를 통해 GaO2-δ-terminated 표면를 준비하기.
• 외부 측정 중 공기 중 산화로부터 FeSe 필름을 보호하기 위해 10-unit-cell FeTe 캡핑층을 사용하기.
• 스캐닝 투과 전자현미경(STEM) 및 전자 에너지 손실 분석(EELS)을 활용해 인터페이스 원자 구조 및 전하 이동을 탐사하기.
• 외부 측정 조건에서 자기장 하에서의 전도도 측정을 통해 상한 임계장(Hc2), 응집 길이(ξ), 러너던 침투 깊이(Λ)를 결정하기.
• 긴츠부르크-랜다우 이론 및 저항의 아레니우스 도표를 적용하여 활성화 에너지를 추출하고 러너던 침투 깊이를 추정하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GaO2-δ-terminated NdGaO3(110) 기반에서 단일 단위셀 FeSe 필름이 균질한 FeSe보다 높은 Tc를 가지는 초전도성을 유도할 수 있는가?
• RQ2 FeSe/GaO2-δ 이종구조에서 인터페이스 전하 이동의 성격은 무엇이며, 초전도 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 Tc, 응집 길이, 상한 임계장 측면에서, NdGaO3(110) 기반에서의 FeSe 초전도 거동은 TiO2-δ-terminated 기반과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ4 인터페이스 구조 및 유전율 스크리닝이 FeSe 기반 이종구조에서의 초전도성 향상에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• FeSe/GaO2-δ 이종구조는 약 28 K의 초전도 전이 온도(Tc) 시작점을 나타내며, 이는 균질한 FeSe의 8 K보다 크게 높다.
• 전자 에너지 손실 분석(EELS)을 통한 확인 결과, GaO2-δ 층에서 FeSe로의 전하 이동이 이루어져 인터페이스 전자 도핑이 발생함을 입증하였다.
• 영온도에서의 상한 임계장(Hc2)은 단일 단위셀 FeSe에서 22.5 T로 측정되었으며, 평면 내 응집 길이는 3.59 nm였다.
• 단일 단위셀 FeSe의 러너던 침투 깊이는 약 84 nm로 추정되었으며, 이는 Ginzburg-Landau 파라미터(κ)가 20 이상인 타입-II 초전도체임을 나타낸다.
• Tc의 두께 의존성 분석 결과, FeSe의 첫 번째 단위셀만이 초전도성을 띠며, 다른 FeSe/산화물 시스템과 일관된다.
• 바이러스 활성화 에너지가 ln(μ0H)에 대해 선형적 의존성을 보이며, 집단적 바이러스 크리프를 지지하고 침투 깊이 추정의 타당성을 입증한다.