单晶超薄薄膜高温超导特性的原位调控与研究

Recently, Chinese scientists have made significant breakthrough in the research of interface superconductivity by finding that a single-layer FeSe film epitaxially grown on a SrTiO3 substrate have a superconducting transition temperature (Tc) much higher than that of its bulk material. This has arisen a good deal of research interests in Fe-based high-Tc superconducting films. On the other hand, element doping and applying gate bias are two well used methods to efficiently adjust superconducting properties of bulk materials, but not regularly used for films mainly because the later materials are very easily polluted by atmosphere and thus difficult to be investigated by various ex situ experimental techniques. Therefore, based on a self-developed multi-functional scanning tunneling microscope, we plan to perform in situ element doping and gate-bias application to Fe-based high-Tc superconducting films such as FeSe films, and to measure their atomic and electronic structures as well as superconducting properties including zero-resistance and diamagnetic response. Our project would be not only helpful to investigating high-Tc superconducting mechanism and finding new superconducting materials wither higher Tc, but also to investigating two-dimensional superconductivity, so as to deepen our understanding the phenomenon of superconductivity from various research aspects.

近几年来，我国科学家在界面超导研究领域取得了重要突破，率先发现外延生长在SrTiO3单晶衬底上的单层FeSe薄膜具有极高的超导转变温度，与之相关的铁基高温超导薄膜随之也吸引了国内外众多的研究兴趣。另一方面，元素掺杂和栅电极施压是对体材料的超导特性进行调控的行之有效的常用手段，但在超导超薄薄膜材料的研究当中并不多见，其主要原因是后者容易受到大气环境污染，使得难以对其施加各种非原位测量技术。为此，本项目将立足于一套自行研制的多功能扫描隧道显微镜系统，对以FeSe薄膜为代表的铁基高温超导薄膜进行原位的元素掺杂和栅电极施压，并对其进行原位的原子/电子的结构表征和零电阻/抗磁特性的物性测量，以此实现并研究高温超导薄膜的超导特性的原位调控。本项目的实施，不但将有助于研究高温超导机制的决定性因素，探索超导转变温度的提升途径和空间，也将有助于对二维超导特性的深入研究，从多方面深化对超导现象的理解与认识。

近年来，我国科学家在界面超导研究领域取得了重要突破，率先发现外延生长在SrTiO3单晶衬底上的单层FeSe薄膜具有极高的超导转变温度（Tc），与之相关的铁基高温超导薄膜随之也吸引了国内外众多的研究兴趣。同时，掺杂是对体材料的超导特性进行调控的行之有效的常用手段，但在超导超薄薄膜材料的研究当中，由于超薄薄膜容易受到大气污染，使得难以对其施加各种非原位测量技术。为此，本项目立足于一套自行研制的多功能扫描隧道显微镜系统（STM+），对几类超薄超导薄膜进行了原位的原子/电子的结构表征和零电阻/抗磁特性的物性测量，取得了创新性成果如下：（1）在双层FeSe/ STO薄膜表面吸附了不同量的K原子，实现了对该薄膜超导特性的调控，并观察到该薄膜的超导能隙与Tc之间没有明显的关联，但其超流密度与Tc呈现出线性关系，从而揭示了FeSe超导的决定性因素是相位刚度，而非配对势，同时，其穿透深度在低温区的变化趋势显示该FeSe薄膜具有变号的序参量；(2)在硅单晶表面，通过控制铟原子的吸附量以及退火的温度和时间等参数，成功的制备出了具有无序度可控的双原子层铟薄膜。我们一方面观察到硅基双原子层铟薄膜的表面缺陷的密度与空间分布状况，另一方面还测量到该薄膜的超导转变温度与超流密度等重要的超导参量。由此不但将超导薄膜的转变温度受表面缺陷密度的影响这一现象以一种非常直观的方式呈现出来了，还首次揭示了表面缺陷的空间分布也对超导薄膜的超导特性有着非常重要的影响：当表面缺陷聚集在台阶处，它对超导薄膜的转变温度影响不大，但会极大的影响该薄膜的临界电流密度。(3)在双层石墨烯薄膜中插入Ca原子层，制备出具有最高Tc（8.83K）的超导双层石墨烯，并通过观察其穿透深度随温度及外加磁场的变化关系，揭示了该薄膜为s波超导体。本项目对高温超导和二维超导特性的深入理解都有重要的科学意义，有助于从多方面深化对超导现象的理解与认识。