半导体衬底上FeSe薄膜的外延生长及界面超导

We will use molecular beam epitaxy technique to realize the epitaxial growth of FeSe thin film on semiconductor GaAs substrates, and investigate the superconductivity with respect to film thickness. Moreover, by tuning the doping concentration and doping type of substrates through growth of doping layer, we could study the impact of carriers doping to FeSe interface superconductivity, and draw the phase diagram of critical temperature to doping concentration. We will also prepare InxGa1-xAs substrates with different lattice constant by varying In concentration, and investigate the effect of strain on FeSe interface superconductivity.

利用分子束外延生长技术，实现铁基超导体FeSe在半导体GaAs衬底上的外延生长，考察不同层厚的外延FeSe薄膜的超导性质。通过生长掺杂层来改变衬底的掺杂类型以及掺杂浓度，考察载流子掺杂对FeSe薄膜界面超导性质的影响，并绘制超导临界温度随载掺杂浓度变化的相图。通过改变In组份获得不同晶格常数的InxGa1-xAs衬底，考察应力对FeSe薄膜界面超导性质的影响。

单层FeSe/SrTiO3(001)界面超导增强的发现引起了界面超导研究的新热潮。对于界面超导增强机制的研究有助于寻找具有更高超导转变温度的新体系。我们使用分子束外延生长（MBE）技术，实现了单层FeSe在多种衬底（SrTiO3(110)，MgO(001),NGO(110)和金刚石）上的外延生长。利用扫描隧道显微镜（STM）、电学输运测量等方法，研究了不同衬底上外延单层FeSe薄膜的超导性质。通过以上不同材料体系的对比，探索了界面增强超导的机制，取得的主要研究成果如下： .（1）改进了管式炉中衬底处理的工艺，显著提升了衬底表面单终止面的可控度、清洁度。利用这项技术对SrTiO3(110)衬底、NdGaO3(110)衬底MgO(001)衬底进行了处理，获得了能够实现单层FeSe生长的高质量衬底。.（2）实现了SrTiO3(110)衬底上单层FeSe薄膜的外延生长。利用扫描隧道谱（STS）技术观测到17 meV的超导能隙，输运性质测量显示具有30 K的起始转变温度。通过与FeSe/SrTiO3(001)体系结果对比，我们发现应力效应在界面超导中不起关键作用，而界面超导增强现象可以用界面处电声耦合作用理论框架解释。.（3）实现了MgO(001)衬底上单层FeSe薄膜的外延生长，并观测到19 K的超导起始转变温度，是体相FeSe的超导转变温度的两倍。结合透射电子显微镜（TEM）和密度函数理论（DFT），我们发现扩散到MgO衬底表层的Fe原子可以有效的为单层FeSe提供电子掺杂，从而增强超导转变温度。.（4）实现了NdGaO3(110)衬底上和金刚石衬底上单层FeSe薄膜的外延生长。输运结果表明前者具有30 K的超导转变温度，而后者不论在何种退火条件下均不超导。这一结果凸显了衬底中极性声子对于界面超导的重要性。在总结各种衬底的输运结果基础上，我们发现在FeSe界面超导体系中，超导转变温度与载流子由空穴型向电子型转变的温度成正比，反映了电子掺杂在界面超导体系中的重要性。.我们的研究表明，利用人工构建界面结构是提升超导转变温度的有效途径。我们对界面增强超导性质的实验为深入理解界面超导机制提供了更详实的数据，为探索新的可能具有更高超导转变温度的界面体系提供了可能的方向。