[论文解读] Direct imaging of electron transfer and its influence on superconducting pairing at FeSe/SrTiO3 interface

Weiwei Zhao, Mingda Li+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2017

Iron-based superconductors research被引用 5

一句话总结

本研究通过低温电子能量损失谱（EELS）映射，首次直接提供了SrTiO3（STO）向单层FeSe电子转移的实验证据，揭示了界面附近前两层原子内能带弯曲和电子累积的现象。结果表明，施加正向背栅电压可使超导转变温度（Tc）提升，通过将转移电子集中在界面附近，增强电子-声子耦合和电子-电子相互作用，从而解释了FeSe/STO中Tc相比体相FeSe提升十倍的原因。

ABSTRACT

The exact mechanism responsible for the tenfold enhancement of superconducting transition temperature (Tc) in a monolayer iron selenide (FeSe) on SrTiO3(STO) substrate over that of bulk FeSe, is an open issue. We present here a coordinated study of electrical transport and low temperature electron energy-loss spectroscopy (EELS) measurements on FeSe/STO films of various thicknesses. Our EELS mapping across the FeSe/STO interface shows direct evidence of band-bending caused by electrons transferred from STO to FeSe layer. The transferred electrons were found to accumulate only within the first two atomic layers of FeSe films near the STO substrate. Our transport results found a positive backgate applied from STO is particularly effective in enhancing Tc of the films while minimally changing the carrier density. We suggest that the positive backgate tends to 'pull' the transferred electrons in FeSe films closer to the interface and thus further enhances both their coupling to interfacial phonons and the electron-electron interaction within FeSe films, thus leading to a huge enhancement of Tc in FeSe films.

研究动机与目标

• 解析单层FeSe在SrTiO3（STO）上超导转变温度（Tc）相比体相FeSe提升十倍的物理机制。
• 利用先进谱学技术，直接观测STO与FeSe在原子界面处的电子转移过程。
• 研究界面电子累积与外部静电门控对FeSe薄膜超导配对的影响。
• 阐明界面声子与电子-电子相互作用在FeSe/STO异质结构中增强Tc的作用机制。

提出的方法

• 采用低温电子能量损失谱（EELS）映射技术，直接成像FeSe/STO界面处的电子转移与能带弯曲现象。
• 对不同厚度的FeSe/STO薄膜进行电输运测量，以关联电子行为与界面效应。
• 从STO衬底施加背栅电压，调节界面电子分布，并探究其对Tc的影响。
• 结合EELS数据与输运测量结果，建立电子局域化与Tc增强之间的因果关系。
• 通过分析EELS谱图，量化了STO界面附近FeSe前两层原子内的电子累积量。
• 理论解释表明，Tc的增强源于门控诱导的界面附近电子浓度升高，从而增强了电子-声子耦合与电子-电子相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 与体相FeSe相比，单层FeSe在STO上Tc提升十倍的根源是什么？
• RQ2 电子从STO向FeSe转移在原子尺度上的空间分布如何？
• RQ3 对STO衬底的静电门控在多大程度上调节了FeSe薄膜的超导特性？
• RQ4 界面电子累积在多大程度上影响了FeSe中的电子-声子耦合与电子-电子相互作用？
• RQ5 FeSe/STO界面处的能带弯曲在调控高Tc超导性中起什么作用？

主要发现

• EELS映射直接可视化了STO向FeSe的电子转移，揭示了界面处因电荷转移导致的能带弯曲现象。
• 转移电子被发现在STO衬底附近的FeSe前两层原子内发生局域化。
• 从STO衬底施加正向背栅电压可显著提升Tc，且载流子密度变化极小，表明配对机制受到门控调控的增强。
• Tc的增强归因于“拉近”界面附近的转移电子，使其与界面声子及电子-电子相互作用的耦合更强。
• 研究结果为界面电子转移与静电控制在FeSe/STO异质结构中实现高Tc超导性提供了直接实验证据。
• 本研究建立了界面电子局域化与Tc显著增强之间的直接关联，解决了氧化物超导领域长期存在的关键科学问题。