[论文解读] Morphology of Superconducting FeSe thin films deposited by co-sputtering and MBE

Eike Venzmer, Alexander Kronenberg+2 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2015

Iron-based superconductors research被引用 4

一句话总结

本研究比较了通过射频磁控溅射和分子束外延（MBE）方法生长的FeSe薄膜的形貌与超导性能。溅射薄膜表现出光滑、无裂纹的表面，表面粗糙度约为100 nm，而MBE薄膜则显示出微裂纹和更高的粗糙度。溅射薄膜的居里温度中点Tc达到8.5 K，且形貌优异，为未来研究FeSe中非传统超导性的表面敏感实验提供了有利条件。

ABSTRACT

The presumably unconventional superconductor Beta-FeSe was deposited by radio frequency sputtering and molecular beam epitaxy (MBE) from two elementary sources. Superconducting thin films were grown in (001)-orientation on MgO(100) and YAlO3(010) substrates. The morphology of the samples was studied and directly related to the superconducting properties of the Beta-FeSe thin films. The MBE grown thin films show microcracks down to the substrate and a roughness of about 100~nm. In contrast, sputter deposited superconducting thin films show a smooth surface with almost no precipitates. In both cases resistive superconducting transitions with critical temperature up to 8.5 K were observed. However, the smoothness of the sputter deposited films is crucial for future surface dependent investigations.

研究动机与目标

• 比较通过射频溅射和MBE方法生长的FeSe薄膜的形貌与超导性能。
• 确定薄膜形貌对非传统超导性表面与界面相关研究的影响。
• 通过共溅射优化化学计量比控制，以提升薄膜质量和超导性能。
• 证明由于表面光滑且无微裂纹，溅射FeSe薄膜可为未来表面敏感实验提供更优越的平台。

提出的方法

• 采用从独立的Fe和Se靶材进行射频溅射，在MgO(100)和YAlO3(010)衬底上外延生长FeSe薄膜。
• MBE生长采用电子束蒸发源蒸发Fe和硒坩埚蒸发Se，在350 °C的衬底温度下进行共蒸发。
• 在射频溅射过程中，通过在衬底上实现Fe/Se比例的化学计量梯度，实现在单个薄膜上研究成分依赖的性质。
• 结构表征采用X射线衍射（XRD）和θ/2θ扫描，部分照射以测绘成分变化。
• 表面形貌通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）分析。
• 电输运测量采用四探针配置，电流方向平行和垂直于Fe/Se梯度方向，利用光刻技术定义窄条用于局部测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 FeSe薄膜在射频溅射与MBE沉积方法下的形貌有何不同？
• RQ2 FeSe薄膜的化学计量比与表面形貌之间存在何种关系？
• RQ3 FeSe薄膜在化学计量梯度范围内，超导转变温度Tc如何变化？
• RQ4 射频溅射的FeSe薄膜能否实现高质量形貌，适用于非传统超导性的表面敏感研究？
• RQ5 溅射FeSe薄膜的临界电流密度是多少，与单晶相比如何？

主要发现

• 溅射沉积的FeSe薄膜表面光滑，粗糙度≈100 nm，无微裂纹，而MBE生长的薄膜则表现出微裂纹和更高的粗糙度。
• 当电流方向垂直于Fe/Se梯度时，溅射薄膜的居里温度中点Tc,midpoint达到8.5 K，且转变宽度ΔTc≈1.1 K。
• 通过EDX确认溅射薄膜中Fe/Se比例变化达20%，导致形貌显著变化及偏离化学计量比时出现杂质相。
• 光刻图案化条带中，中心条带的Tc,midpoint为5.8 K，表明加工过程中可能造成退化或未覆盖最佳区域。
• 在4.2 K下测得临界电流密度jc≈6.8 × 10³ A/cm²，与体相β-FeSe单晶（1.8 K时≈10⁴ A/cm²）相当，表明具有显著的超导体积。
• XRD θ/2θ扫描证实了(001)取向的外延生长，并在非化学计量比区域检测到Fe3Se4杂质相。