p型衬底上FeSe基超导薄膜的电荷转移研究

In a typical interface superconducting system, single unit-cell FeSe/SrTiO3(001), charge transfer from n-type SrTiO3(001) (STO) substrates promoted electron-doping in FeSe films, which led to electronic band structure with special Fermi surface. However, the n-type substrates largely limit the realization of hole-doping in FeSe films. Here instead of n-type STO, p-type STO substrate will be adopted to achieve hole-doping in FeSe films via interface charge transfer. By combining scanning tunneling microscopy (STM) with angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES), the superconducting properties of FeSe/p-STO films will be systematically studied to check the appearance of hole-like band at the center of first Brillouin zone, which demonstrates the hole-doping effect. Then potassium atoms will be deposited on FeSe films to introduce electron doping and compensate the hole charge transfer from p-type substrate. The parent state and complete phase diagram of FeSe/SrTiO3 system will be finally achieved. Our project here will not only elucidate the importance of charge doping on interface superconductivity, but also shed light on the underlying paring mechanism of high temperature superconductivity.

在单层FeSe/SrTiO3(001)界面超导体系中，来自n型SrTiO3 (STO)衬底的电子转移使FeSe薄膜呈电子型掺杂而表现出超导的特殊费米面结构。然而，n型衬底的存在大大限制了对FeSe薄膜空穴掺杂的可能性，导致单层FeSe/STO超导相图不完整。本项目将尝试采用p型空穴导电的STO替代n-STO衬底形成FeSe/p-STO新界面，通过电荷转移实现单层FeSe薄膜的空穴掺杂并诱导出界面高温超导电性。利用扫描隧道显微镜和角分辨光电子能谱相结合的手段，将首先研究单层FeSe/p-STO薄膜界面超导电性，验证单层FeSe薄膜的空穴掺杂效应。然后通过表面蒸K原子技术引入电子掺杂，调控单层FeSe/STO薄膜总电荷掺杂量，以期获得单层FeSe/STO体系母体和完整相图。本项研究的开展有望进一步阐明电荷转移与界面超导电性的关系，揭示界面增强超导电性的物理机制和探索高温超导配对机理。

单层FeSe/n-SrTiO3超导体系存在的超液氮温区（77K）的高温超导转变激起了国内外高温超导领域浓厚的兴趣。研究FeSe/STO界面增强超导机制有望进一步提高Tc，具有重要的科学和应用意义。从n-STO衬底到FeSe的电荷转移以及来自STO的极子增强电-声子耦合被认为起关键性因素。本项目集中研究了单层FeSe/p型SrTiO3(STO)的超导电性行为，通过电荷转移实现单层FeSe薄膜的空穴掺杂并诱导出界面高温超导电性。重要研究内容包括p型STO衬底的Sr处理方法制备和p型导电机制；单层FeSe薄膜的MBE生长；单层FeSe与Sr处理p型STO的界面结构；单层FeSe在p型STO衬底的电输运性质和低温STM/STS研究等。研究发现通过控制Sr处理过程中Sr的量可调控STO表面的载流子类型和浓度，并改变STO衬底的终止面结构。在Sr处理STO表面可生长连续的原子级平整的单层FeSe薄膜，STS结果显示其存在超导能隙~16meV，同时表现出p型掺杂特性。电输运测试进一步证实了其超导转变，超导转变温度与高阻STO衬底表面单层FeSe结果类似，~45 K，零电阻可达16.5K。本项目首次获得了可在高温下存在的可控的p型掺杂STO表面，p型掺杂STO衬底引入的p型掺杂FeSe同样表现出高温超导行为，这表明电荷转移在FeSe高温超导中重要，但不是主要的因素，来自界面电-声子耦合效应是单层FeSe高温超导的主要因素。 本项目的开展进一步揭示了电荷转移的调控及其与超导电性的关系。