清華薛其坤、李渭＆華科徐剛Nano letters：FeSe薄膜中向列疇界的邊緣態

【引言】

FeSe是一種能夠實現超導增強、拓撲非平庸邊緣態及拓撲超導的新奇材料，載流子注入和晶格畸變是操縱其電子性質的兩個主要因素。在低溫下，鐵基超導體中電子結構的旋轉對稱性被破壞，形成向列相，其在實驗中表現為可觀測的電子各向異性。對于大部分鐵基超導體，載流子摻雜可抑制向列相，從而產生超導電性。在向列疇的交界處（疇界），由于互相垂直的向列疇的交疊，其向列性也被破壞。因此，疇界提供了一個研究電子特殊拓撲性質的全新平臺。受限于樣品制備和精密測量等方面，關于疇界上的向列性的抑制及拓撲電子態的研究尚未報道。

【成果簡介】

近日，清華大學李渭、薛其坤和華中科技大學徐剛（共同通訊作者）等人利用分子束外延法（MBE）在STO襯底上生長出~20UC的FeSe薄膜，并使用STM研究了FeSe薄膜中疇界處的電子結構。研究人員在費米能級處觀察到拓撲邊緣態，其表現為：在疇界兩側空間上形成兩個清晰的條狀電子態。同時，在疇界的交點處可進一步觀察到釘扎在費米能級的束縛態。密度泛函理論計算理論分析很好地解釋了該邊緣態的拓撲起源。該發現表明FeSe疇界極有可能是實現量子自旋霍爾態（QSH）的一種候選材料，同時也為在單組分材料中實現拓撲超導性提供了新的思路。相關成果以題為“Edge states at nematic domain walls in FeSe films”發表在Nano letters上。

【圖文導讀】

圖一 FeSe疇界內向列性的抑制

（a）STO襯底上生長的~20UC FeSe薄膜的原子分辨STM形貌圖，由于FeSe薄膜內具有很強的向列性使得Se原子沿著Se-Se晶格對角線方向被明顯拉長
（b）孿晶疇中的被拉長的Se原子以及疇邊界上未被拉長的Se原子

圖二 ~20 UC FeSe/STO的向列性疇界

（a，b）向列疇界的電子態密度空間分布圖。在-50 meV和70 meV處疇界具有相反的對比度，橙色箭頭表示幾個疇界的交叉點
（c）FeSe薄膜的STM形貌圖像。如圖中橙色虛線所示，交叉點均有四個疇界穿過

圖三 ~20 UC FeSe/STO疇界的邊緣態以及電子結構

（a）疇界的三維STM形貌圖
（b、c）沿著（a）中的虛線給出空間分辨的大能量范圍的dI/dV譜，可以看到，特征峰在疇界區域向上移動了~35 meV
（d、e）沿著（a）中的虛線給出空間分辨的小能量范圍的dI/dV譜，其中，在0 meV和-10 meV出現兩個清晰的峰
（f、g）分別為-10 meV和0 meV處的電子態密度的空間分布。掃描區域和（a）一致。（g）展示了清晰的邊緣態

圖四 疇界交叉點的束縛態

（a、b）圖1c中交叉點電子態密度分布圖。交叉點處的束縛態在（a）中清晰可見（白色箭頭）
（c）交點處的dI/dV譜

圖五 奇偶FeSe層的能帶結構和拓撲邊緣態

（a、b）分別表示單層和雙層FeSe的計算帶結構，紅色菱形表示Fe原子的d_yz/d_xz軌道的能帶投影圖，藍色圈表示d_z²軌道
（c、d）分別表示單層和雙層FeSe沿著（110）方向的拓撲邊緣態。在實驗中，奇數和偶數薄膜中均觀測到了清晰的拓撲邊緣態，但其拓撲起源是不同的。其中，奇數層的拓撲性受時間反演和反鐵磁基態保護，而偶數層的拓撲性受滑移鏡面對稱性保護

【小結】

FeSe中拓撲邊緣態的發現，為未來低功耗電子器件的開發提供了新的候選體系。另外，邊緣態和束縛態的特征能量均位于費米能級處，說明該體系的化學勢正好位于反轉能隙的中心。因此，在超導FeSe薄膜中引入疇界為實現拓撲超導提供了新的思路，其優點為可避免引入摻雜、異質結結構等復雜性，在單組份材料中實現拓撲超導。

文獻連接：Edge states at nematic domain walls in FeSe films（Nano letters, 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b03282）

本文由材料人編輯部計算材料組杜成江編譯供稿，材料牛整理編輯。

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