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

Haohao Yang, Guanyu Zhou+13 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2019

Iron-based superconductors research参考文献 40被引用 3

一句话总结

本研究展示了在GaO2-δ-terminated NdGaO3(110)衬底上外延生长的单原子层FeSe薄膜中界面增强的超导性，其超导转变温度（Tc）起始点达到28 K，显著高于体相FeSe的8 K。该增强效应源于通过电荷转移实现的界面电子掺杂，该结果经扫描透射电子显微镜和电子能量损失谱证实，确立了FeSe/GaO2-δ作为研究氧化物界面高温超导性的新平台。

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.

研究动机与目标

• 探究GaO2-δ-terminated NdGaO3(110)衬底是否能在单原子层FeSe薄膜中诱导高温超导性。
• 探讨界面电荷转移与电子结构在提升超导转变温度（Tc）方面的作用，使其超越体相FeSe的水平。
• 从超导性能与界面机制两方面，对比FeSe/GaO2-δ与已建立的FeSe/TiO2-δ体系。
• 确立GaO2-δ作为工程化高温超导异质结构中可行的氧化物盖层的潜力。

提出的方法

• 在超高真空条件下，利用分子束外延（MBE）技术在GaO2-δ-terminated NdGaO3(110)衬底上外延生长单原子层FeSe薄膜。
• 通过10% HCl溶液湿法蚀刻后，在O2流下于930 °C进行热退火，制备GaO2-δ-terminated表面。
• 采用10个原子层的FeTe盖层保护FeSe薄膜，防止在体外测量过程中被大气氧化。
• 利用扫描透射电子显微镜（STEM）和电子能量损失谱（EELS）探测界面原子结构与电荷转移。
• 在体外测量中施加磁场，进行输运测量，以确定上临界场（Hc2）、相干长度（ξ）和伦敦穿透深度（Λ）。
• 应用吉涅斯堡-朗道理论及电阻的阿伦尼乌斯图，提取激活能并估算伦敦穿透深度。

实验结果

研究问题

• RQ1 GaO2-δ-terminated NdGaO3(110)衬底是否能在单原子层FeSe薄膜中诱导出高于体相FeSe的Tc的超导性？
• RQ2 FeSe/GaO2-δ异质结构中界面电荷转移的本质是什么，其如何影响超导性质？
• RQ3 与TiO2-δ-terminated衬底相比，FeSe在NdGaO3(110)衬底上的超导行为在Tc、相干长度和上临界场方面有何差异？
• RQ4 界面结构与介电屏蔽在多大程度上影响了FeSe基异质结构中超导性的增强？

主要发现

• FeSe/GaO2-δ异质结构的超导转变温度（Tc）起始点约为28 K，显著高于体相FeSe的8 K。
• 通过电子能量损失谱（EELS）证实了界面电子掺杂，表明电荷从GaO2-δ层向FeSe转移。
• 在零温下测得的上临界场（Hc2）为22.5 T，面内相干长度为3.59 nm。
• 单原子层FeSe的伦敦穿透深度估算为84 nm，表明其为具有大于20的吉涅斯堡-朗道参数（κ）的第二类超导体。
• Tc的厚度依赖性表明仅第一原子层FeSe具有超导性，与其它FeSe/氧化物体系一致。
• 涡旋激活能对ln(μ0H)呈线性依赖关系，支持集体涡旋蠕变行为，并验证了穿透深度的提取结果。