单层硒化铁与钛酸锶超导异质结构的表界面化学研究

Searching for superconducting materials with high transition temperature (TC) is one of the most exciting and challenging fields in Physical, Chemical, and Materials Sciences. Recently, a superconductive gap as large as 20 meV is revealed in the single unit-cell (1-UC) thick FeSe films on SrTiO3(001) substrate, indicating a superconducting transition temperature above 77K. Further study demonstrates that 1-UC FeSe/SrTiO3 is a heavily electron-doped superconductor. FeSe films thicker than one UC are not superconducting, implying the nature of interface-enhanced superconductivity. Motivated by further increasing the superconducting transition temperature of 1-UC FeSe/SrTiO3 and finding new superconductors, we propose to modify the surface/interface chemistry of 1-UC FeSe/SrTiO3 by adsorbing/doping atoms and molecules and using different substrates. This project will provide a well-defined platform for understanding of the mechanism of interface superconductivity in a view of chemical research.

探索具有高的超导转变温度的超导材料一直是物理、材料、化学等多学科研究中倍受重视的方向。最近我们在SrTiO3(001)衬底上制备的单层FeSe薄膜中观察到具有20 meV左右的超导能隙，对应的超导转变温度大于77K。进一步的研究表明：单层FeSe/STO(001)异质结构是一个严重的电子掺杂的超导体，而且其超导能隙仅在第一层FeSe薄膜表面出现，在两层以及更厚的FeSe薄膜的表面并没有观察到超导能隙的打开，说明该体系高温超导的来源与薄膜和衬底之间的界面密切相关。为此我们提出，采用碱金属原子、有机电子给体分子表面吸附/掺杂、界面选择/控制等办法来调控单层FeSe/STO(001)异质结构的超导性质，期望进一步提高该体系的超导转变温度。这对于理解FeSe薄膜的掺杂机理以及超导起源有着重要意义。

中文摘要.我们发现并设计制备了FeSe/SrTiO3界面、FeSe与其它氧化物形成的异质结构，从表界面出发通过调控体系的载流子浓度、晶格应变、电声耦合作用等研究它们对超导电性的影响，以揭示这些高温超导体系的超导机理，提出界面电荷转移和界面增强电声耦合作用对单层FeSe/SrTiO3体系的高温超导电性起到了关键作用。这些研究为寻找更多的界面超导体系以及探寻非常规超导体的超导机制提供了重要的线索。此外，关于FeSe/SrTiO3界面超导相关体系的研究，是由我国科学家开辟的一个全新研究方向，在国内外有大量的研究组追踪研究这一体系，充分说明了该研究工作的重要性和广泛国际影响力。通过深入研究该体系，我们既发展了原子尺度上精确控制薄膜和异质结构生长的实验技术，还对探索高温超导材料和研究高温超导机理产生了重大推进作用。