Nature子刊：電子摻雜的FeSe單層材料中伴隨Lifshitz轉變引起的超導性能增強

【引言】

直到現在，鐵基超導體中最高的臨界溫度都是在FeSe單層材料中實現的。相比于塊體FeSe超導臨界溫度只有8K，FeSe單層材料的超導臨界溫度要高得多，在鈦酸鍶襯底上制備得到的FeSe單層薄膜超導臨界溫度超過50K。該類材料和其它FeSe基材料比如A_xFe_2-ySe₂和(Li,Fe)OHFeSe為何具有相對高得多的超導性能，仍然沒有一個準確的機理可以解釋，也是鐵基超導體領域一個研究的熱點。所有具有高臨界轉變溫度的FeSe基材料有一個共同點就是在其布里淵區的中心空穴包的缺失。費米面拓撲對FeSe基材料超導性能的重要性，已經被在FeSe薄膜表面摻入電子載流子、在晶體中摻入鉀、在塊狀材料中用離子液體作為柵介質等實驗證明了。對于這一點，很自然就會問，單層的FeSe/STO材料電子摻雜能到什么樣的程度，在高電子摻雜的FeSe基材料，超導性能是如何與費米面學聯系起來的。

【成果簡介】

近日，來自中國科學院物理所的孫煜杰和丁洪（共同通訊）對電子摻雜FeSe單層材料具有增強超導性能進行了深入研究，揭示了其與Lifshitz轉變的關系。

研究人員用角分辨光電子能譜等測試方法進行表征，開始用的FeSe/STO單層材料樣品，之前已經在350℃退火20小時，這過程將相對較高的電子濃度轉移到了樣品中，而且其已經被材料具有大電子費米面包證明。之后，研究人員將K原子原位摻雜到樣品表面，從而實現更高的摻雜水平。實驗結果表明，伴隨這著第二Lifshitz轉變，材料的超導臨界溫度會出現15K的快速提升，第二Lifshitz轉變是被布里淵區中心出現的電子包證明的，由K原子原位摻雜引起。他們的工作還表明在增強FeSe材料超導性能方面配對交互作用是軌道依賴的。

研究人員的工作為更好地理解FeSe基單層材料具有增強的超導性能打下基礎，推動了FeSe基材料相關機理的研究。

【圖文導讀】

圖1? 鉀覆蓋的1UC FeSe/STO費米面演變過程

（a）20K溫度下原始樣品費米面密度示意圖，并且通過一個關于E_F的20meV能量窗進行整合。簡并的電子包占據了整個布里淵區大約8.2%面積，根據盧京格爾定理，材料的電子濃度為每個晶胞0.164個電子。

（b-d）與a類似，但是樣品經過了K連續覆蓋。平板右邊的底部的百分比顯示的是1-Fe布里淵區M周圍費米面電子的面積。M處電子包大小經過連續的K沉積緩慢飽和（~10.4%, ~10.6% 和~10.7%分別代表第一次、第二次、第三次連續的沉積），但是光譜在沉積過程中寬化，這是因為沉積過程中讓表面無序度增加。

（e）沿高對稱剪切方向動量分布曲線，該方向顯示在插圖中在K涂層之上，紅線是使用多個洛倫茲函數擬合實驗數據的結果。

（f）a-d圖中費米面對比。

圖2? 電子能帶結構

（a，b）14K溫度下，Γ和M附近，沿著圖1e插圖所示方向的鉀涂層角分辨光電子能譜強度演變圖。紅色的虛線形狀為拋物線，指代為分散的能帶。

（c）剪切方向與a一致的強度圖，只是測試溫度是在70K。圖像被費米-狄拉克分布函數分隔開，利用解析函數來讓E_F以上的狀態可視化。

（e）被鉀覆蓋的樣品在Γ附近的強度圖，其被He II而不是 He Iα記錄，該樣品被標記為2。

（d）Γ處EDCs的對比，被He II和 He Iα波束記錄。

（f）對Fe 3d, ?Se 4p 和 K 4s橫截面原子光電離計算結構。

（g）沿著Γ-M高對稱線方向分散的能帶的對比。Γ附近類電子帶能量位置，是從參考文獻中得到的，或c中數據預估得到的。

圖3? 超導能隙

（a）原始的和被鉀覆蓋的1UC FeSe/STO樣品在M附近電子費米面k_F點處的EDCs隨溫度的演變圖。電子摻雜顯示在平板之上。紅線代表擬合的數據。

（d-f）超導能隙大小與溫度關系曲線，數據是分別從a-c圖中的擬合曲線獲得的。誤差棒是從擬合曲線的標準偏差（s.d.）預估得到的。

（g）摻雜量x~0.212的鉀覆蓋的1UC FeSe/STO樣品的費米面示意圖。

（h）上部分：被費米-狄拉克函數分隔Γ處EDCs隨溫度的演變。下部分:低溫環境下EDCs進一步與70K環境下的EDCs分離。

（i）14K溫度下，不同k_F點處測試得到的對稱的EDCs。其在g圖中被顏色不同的點標識出來。

（j）極坐標表示的動量與M處附近電子費米面超導能隙大小關系圖，誤差棒是再次從擬合曲線的標準偏差（s.d.）預估得到的。15meV處近乎各項同行的能隙被灰色虛線圓圈標出。

圖4 ?FeSe的相圖

該相圖闡明了超導性能和費米面拓撲演變過程。x=0.11處的數據是來源于我們以前的工作。FeSe塊狀材料的臨界溫度數據，被青色曲線表示，來源于參考文獻13和15。誤差棒是從擬合曲線的標準偏差（s.d.）預估得到的。臨界溫度的誤差棒包括了測量的不準確性。我們也注意到虛線可能是外推法的結果，沒有考慮到x大約0.214時，材料的不穩定性。

【小結】

研究人員對單層的FeSe/STO材料進行深入表征，發現伴隨這著第二Lifshitz轉變，材料的超導臨界溫度會有一個大的提高。而且研究人員用了一個軌道依賴的微觀模型來對FeSe/STO材料的超導性和增強的特性進行闡明。他們工作對闡明FeSe/STO材料為何具有增強的超導性能有大的推動作用，加深了人們對FeSe/STO材料相關機理的理解。

文獻鏈接：Enhanced superconductivity accompanying a Lifshitz transition in electron-doped FeSe monolayer（Nature? Communications，2017，DOI: 10.1038/ncomms14988）

本文由材料人電子電工學術組一棵松供稿，材料牛整理編輯。

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