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

Shaolong He, Jun-Feng He+22 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2012

Iron-based superconductors research参考文献 22被引用 404

一句话总结

本研究通过在真空条件下退火，实现了在SrTiO3衬底上单层FeSe薄膜载流子浓度的连续调控，实现了65 ± 5 K的记录最高超导转变温度。该方法构建了存在N相与S相竞争的相图，揭示了具有BCS样能隙且Tc超过以往铁基超导体记录的强耦合超导性。

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.

研究动机与目标

• 通过调节载流子浓度，探索单层FeSe薄膜中电子结构与超导性的可调性。
• 确定是否可通过非侵入性热退火工艺在不进行化学掺杂的情况下实现FeSe中的高Tc超导性。
• 研究FeSe/SrTiO3界面在实现高Tc超导性中的作用。
• 构建单层FeSe的相图，以反映其他铁基超导体与铜氧化物超导体中常见的掺杂演化行为。
• 为研究高Tc机制及设计用于量子器件的异质结构提供平台。

提出的方法

• 在真空条件下，通过逐步提高温度和时间对SrTiO3衬底上的单层FeSe薄膜进行退火，以调控载流子浓度。
• 利用原位角分辨光电子能谱（ARPES）实时追踪能带结构、费米面及超导能隙的变化。
• 通过测量温度依赖的ARPES谱，提取超导能隙，并根据能隙关闭温度估算Tc。
• 通过峰的锐度与强度演化监测样品质量，以确定最佳退火条件。
• 将ARPES数据与STM/STS测量结果及理论预期进行比较，以确认超导行为。
• 基于观测到的电子结构演化与超导转变行为，绘制相图。

实验结果

研究问题

• RQ1 单层FeSe中的超导性是否可通过非化学的热退火工艺进行调控？
• RQ2 单层FeSe薄膜中可实现的最高Tc是多少？与体相FeSe及其他铁基超导体相比如何？
• RQ3 在退火过程中，N相与S相之间的电子结构如何演化？这反映了竞争序的何种含义？
• RQ4 ARPES中观测到的能隙是否与BCS样超导性一致，还是表现出赝能隙行为？
• RQ5 SrTiO3衬底在单层FeSe中高Tc超导性的出现中起到了多大程度的贡献？

主要发现

• 通过优化真空退火，单层FeSe薄膜实现了65 ± 5 K的记录最高超导转变温度。
• ARPES测得的超导能隙约为19 meV，与STM/STS测量得到的20 meV值非常接近。
• 比值2Δ/kBTc位于6–7范围内，表明为强耦合超导性。
• ARPES数据显示，能隙具有近乎BCS样的温度依赖性，排除了赝能隙起源的可能性。
• 电子结构从N相到S相发生显著演化，退火过程中清晰表现出两种不同相的竞争。
• 长时间退火后样品质量下降，表现为峰展宽与信号减弱，限制了进一步的掺杂优化。