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Nature子刊:电子掺杂的FeSe单层材料中伴随Lifshitz转变引起的超导性能增强
2017-05-04 15:29:41 作者:本网整理 来源:材料人

  【引言】


  直到现在,铁基超导体中最高的临界温度都是在FeSe单层材料中实现的。相比于块体FeSe超导临界温度只有8K,FeSe单层材料的超导临界温度要高得多,在钛酸锶衬底上制备得到的FeSe单层薄膜超导临界温度超过50K。该类材料和其它FeSe基材料比如AxFe2-ySe2和(Li,Fe)OHFeSe为何具有相对高得多的超导性能,仍然没有一个准确的机理可以解释,也是铁基超导体领域一个研究的热点。所有具有高临界转变温度的FeSe基材料有一个共同点就是在其布里渊区的中心空穴包的缺失。费米面拓扑对FeSe基材料超导性能的重要性,已经被在FeSe薄膜表面掺入电子载流子、在晶体中掺入钾、在块状材料中用离子液体作为栅介质等实验证明了。对于这一点,很自然就会问,单层的FeSe/STO材料电子掺杂能到什么样的程度,在高电子掺杂的FeSe基材料,超导性能是如何与费米面学联系起来的。


  【成果简介】


  近日,来自中国科学院物理所的孙煜杰和丁洪(共同通讯)对电子掺杂FeSe单层材料具有增强超导性能进行了深入研究,揭示了其与Lifshitz转变的关系。


  研究人员用角分辨光电子能谱等测试方法进行表征,开始用的FeSe/STO单层材料样品,之前已经在350℃退火20小时,这过程将相对较高的电子浓度转移到了样品中,而且其已经被材料具有大电子费米面包证明。之后,研究人员将K原子原位掺杂到样品表面,从而实现更高的掺杂水平。实验结果表明,伴随这着第二Lifshitz转变,材料的超导临界温度会出现15K的快速提升,第二Lifshitz转变是被布里渊区中心出现的电子包证明的,由K原子原位掺杂引起。他们的工作还表明在增强FeSe材料超导性能方面配对交互作用是轨道依赖的。


  研究人员的工作为更好地理解FeSe基单层材料具有增强的超导性能打下基础,推动了FeSe基材料相关机理的研究。


  【图文导读】


 
图1  钾覆盖的1UC FeSe/STO费米面演变过程

 

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  (a)20K温度下原始样品费米面密度示意图,并且通过一个关于EF的20meV能量窗进行整合。简并的电子包占据了整个布里渊区大约8.2%面积,根据卢京格尔定理,材料的电子浓度为每个晶胞0.164个电子。


  (b-d)与a类似,但是样品经过了K连续覆盖。平板右边的底部的百分比显示的是1-Fe布里渊区M周围费米面电子的面积。M处电子包大小经过连续的K沉积缓慢饱和(~10.4%, ~10.6% 和~10.7%分别代表第一次、第二次、第三次连续的沉积),但是光谱在沉积过程中宽化,这是因为沉积过程中让表面无序度增加。


  (e)沿高对称剪切方向动量分布曲线,该方向显示在插图中在K涂层之上,红线是使用多个洛伦兹函数拟合实验数据的结果。


  (f)a-d图中费米面对比。


  图2  电子能带结构

 

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  (a,b)14K温度下,Γ和M附近,沿着图1e插图所示方向的钾涂层角分辨光电子能谱强度演变图。红色的虚线形状为抛物线,指代为分散的能带。


  (c)剪切方向与a一致的强度图,只是测试温度是在70K。图像被费米-狄拉克分布函数分隔开,利用解析函数来让EF以上的状态可视化。


  (e)被钾覆盖的样品在Γ附近的强度图,其被He II而不是 He Iα记录,该样品被标记为2。


  (d)Γ处EDCs的对比,被He II和 He Iα波束记录。


  (f)对Fe 3d,  Se 4p 和 K 4s横截面原子光电离计算结构。


  (g)沿着Γ-M高对称线方向分散的能带的对比。Γ附近类电子带能量位置,是从参考文献中得到的,或c中数据预估得到的。



  图3  超导能隙

 

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  (a)原始的和被钾覆盖的1UC FeSe/STO样品在M附近电子费米面kF点处的EDCs随温度的演变图。电子掺杂显示在平板之上。红线代表拟合的数据。

  (d-f)超导能隙大小与温度关系曲线,数据是分别从a-c图中的拟合曲线获得的。误差棒是从拟合曲线的标准偏差(s.d.)预估得到的。

  (g)掺杂量x~0.212的钾覆盖的1UC FeSe/STO样品的费米面示意图。

  (h)上部分:被费米-狄拉克函数分隔Γ处EDCs随温度的演变。下部分:低温环境下EDCs进一步与70K环境下的EDCs分离。

  (i)14K温度下,不同kF点处测试得到的对称的EDCs。其在g图中被颜色不同的点标识出来。

  (j)极坐标表示的动量与M处附近电子费米面超导能隙大小关系图,误差棒是再次从拟合曲线的标准偏差。

  (s.d.)预估得到的。15meV处近乎各项同行的能隙被灰色虚线圆圈标出。


  图4  FeSe的相图该相图阐明了超导性能和费米面拓扑演变过程。

 

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  x=0.11处的数据是来源于我们以前的工作。FeSe块状材料的临界温度数据,被青色曲线表示,来源于参考文献13和15。误差棒是从拟合曲线的标准偏差(s.d.)预估得到的。临界温度的误差棒包括了测量的不准确性。我们也注意到虚线可能是外推法的结果,没有考虑到x大约0.214时,材料的不稳定性。

  【小结】

  研究人员对单层的FeSe/STO材料进行深入表征,发现伴随这着第二Lifshitz转变,材料的超导临界温度会有一个大的提高。而且研究人员用了一个轨道依赖的微观模型来对FeSe/STO材料的超导性和增强的特性进行阐明。他们工作对阐明FeSe/STO材料为何具有增强的超导性能有大的推动作用,加深了人们对FeSe/STO材料相关机理的理解。

 

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