Science Bulletin：單層FeSe/MgO(001)界面增強超導電性：原子取代誘導電荷轉移

【引言】

界面工程是尋找高溫超導體的途徑。單層FeSe/SrTiO₃的超導轉變溫度（Tc）范圍為40到108 K。目前，兩類界面效應對單層FeSe中的高Tc超導性具有顯著影響。一是從SrTiO₃襯底到單層FeSe的大量電子摻雜。電子也可通過表面堿金屬沉積或離子液體柵極調諧摻雜到FeSe膜中。另一個是FeSe電子和SrTiO₃聲子之間的跨界面耦合，進一步提高了超導轉變溫度。雖然電子摻雜對Tc增強具有重要作用，但是界面電子摻雜的機理尚未完全了解，界面電荷轉移的貢獻仍需要進一步研究。另外，FeSe/STO(110)，FeSe/TiO₂(001)和FeSe/BaTiO₃(001)也具有相似的高Tc超導性。那么這種界面增強的超導性是否存在于其他氧化物襯底中呢？本文解決了這一問題，并證明了其可行性。

【成果簡介】

近日，清華大學的周冠宇（一作）、王立莉和薛其坤，中國科學院物理研究所的谷林和應用物理與計算數學研究所的張平（共同通訊）等人在MgO(001)基底上生長了單層FeSe薄膜，發現了起始轉變溫度為18 K的增強超導性。掃描透射電子顯微鏡研究表明， FeSe薄膜中Fe原子擴散到頂部兩層MgO中，取代了Mg原子。密度泛函理論計算表明，這種取代促進了從MgO襯底到FeSe薄膜的電荷轉移，進而增強了單層FeSe的超導電性。這項工作表明，氧化物基底上的單層FeSe膜中的超導性增強是相當普遍的現象，只要有界面電荷轉移發生；通過界面工程尋找新的高溫超導性是可行的。相關成果以“Interface enhanced superconductivity in monolayer FeSe films on MgO(001): charge transfer with atomic substitution”為題發表在Science Bulletin上。

【圖文導讀】

圖 1 MgO(001)襯底上單層FeSe薄膜形貌及FeTe層保護下的傳輸特性

（a）FeTe/FeSe/MgO異質結構的示意圖；

（b）MgO(001)上單層FeSe的典型STM形貌圖像（V_s = 1.1 V，I_t = 130 pA）；

（c）FeTe/FeSe/MgO異質結的電阻-溫度特性（插圖：四電極運輸測量示意圖）；

（d）在0-9T垂直磁場下，另一個退火樣品的電阻-溫度特性。

圖 2 FeTe/FeSe/MgO(001)異質結構的STEM和EELS表征

（a）沿[010]方向FeTe/FeSe/MgO(001)異質結構橫截面HADDF圖像及原始強度分布（右側）；

（b）FeSe/MgO界面附近的Fe L₂₃強度及L₃/L₂強度比（插圖中白線示意測量區域）。

圖 3 MgO（001）襯底上單層FeSe的DFT帶拓撲計算

（a）MgO(001)上單層FeSe的示意結構；

（b，c）原始MgO(001)和Fe取代的MgO(001)上的單層FeSe的能帶結構，其中紅線示意自由單層FeSe能帶。

【小結】

MgO(001)襯底上單層FeSe薄膜的超導電性增強源于界面MgO層中的Mg被Fe部分取代誘導的界面電荷轉移。這項工作表明，只要有電荷轉移，FeSe/氧化物界面就會存在增強超導特性，因此通過界面工程尋找新的高溫超導性是可行的。

文獻鏈接：Interface enhanced superconductivity in monolayer FeSe films on MgO(001): charge transfer with atomic substitution（Science Bulletin, 2018, DOI: 10.1016/j.scib.2018.05.016）。

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