FeSe基超导体的探索与物性研究

自从2008年铁基超导体发现以来,人们探索并发现了一系列的铁基高温超导材料,其中FeSe基超导体因其具有的独特性质而引起了人们的广泛关注.本文主要介绍了两类新的铁基超导体,即水热合成法合成的（Li,Fe）OHFeSe及电化学插层方法合成的（CTA）_xFeSe的晶体结构及超导性质;对近年发展起来的利用电双层场效应晶体管技术以及固态离子导体调控FeSe的电子态性质的研究做了简要介绍.     

新型铁基超导体材料的研究进展

文章主要介绍了碱金属插层法合成新型铁基超导体的研究进展.通过采用碱金属K对FeSe层状材料插层的方法,得到了一种新型的铁基超导体K0.8Fe1.7Se2,并对该材料的晶体结构与物性进行了研究.结果表明,该化合物的超导转变温度达到30K,这是FeSe体系在常压下的最高超导转变温度.同时,观察到该体系中存在转变温度为43K的超导相,但未得到纯相.通过磁性元素Co的掺杂研究,进一步加深了对K0.8Fe1.7Se2体系超导演化规律的认识.该超导体的发现对深入认识铁基超导体的超导机理,探索具有更高超导转变温度的铁基超导体具有重要意义.     

FeSe基超导单晶与薄膜研究新进展:自旋向列序、电子相分离及高临界参数

FeSe基超导体的超导临界温度可大范围调控,物理现象丰富,是非常规超导机理研究的热点.由于较高的超导临界参数及易于加工等特点,FeSe基超导体在超导应用开发方面也日益受到重视.大尺寸高质量的单晶和薄膜形态的FeSe基超导材料,对于相关基础科学研究和应用开发都极为重要.作者近年来先后开发和发明了水热离子交换（ion-exchange）、离子脱插（ion-deintercalation）、基底辅助水热外延生长方法,成功解决了二元FeSe和插层（Li,Fe）OHFeSe超导体高质量单晶和薄膜的生长和物性调控难题.进而在相关物理问题的研究中取得新进展,包括发现二元FeSe中自旋向列序与超导电性密切相关,观测到（Li,Fe）OHFeSe中的电子相分离现象.此外,（Li,Fe）OHFeSe超导薄膜呈现很高的超导临界电流密度和上临界磁场,其应用前景值得关注.     

单层FeSe薄膜/氧化物界面高温超导

单层FeSe/SrTiO₃界面增强超导的发现为理解高温超导机理提供了一个新的途径,也为实现新的高温超导体开拓了新思路.本文通过在SrTiO₃（001）表面高温沉积Mg进而沉积单层FeSe薄膜,制备出了FeSe/MgO双层/SrTiO₃异质结.利用扫描隧道显微镜研究了异质结的电学及超导特性,观测到约14–15 meV的超导能隙,比体相FeSe超导能隙值增大了5–6倍,与K掺杂双层FeSe/SrTiO₃的超导能隙值相当.这一结果可理解为能带弯曲造成的界面电荷转移和界面处电声耦合共同作用导致的超导增强.FeSe/MgO界面是继FeSe/TiO₂之后的一个新界面超导体系,为研究界面高温超导机理提供了新载体.     

铁硒基超导材料实用化研究进展

由于铁基超导体含有铁磁性元素以及具有极高的上临界场等特性, 引发了科学家对其理论和实用化研究的热潮. 铁基超导体主要分为四个体系: “1111”体系、 “122”体系、 “111 ”体系和“11 ”体系. 其中, “11 ”体系中的 FeSe基超导材料由于结构简单、 单晶制备容易以及不含有毒元素等优势, 使其成为了研究铁基超导材料的热门体系, 同时也成为了新型实用化超导材料的研究热点. 本文在简要介绍铁基超导材料和 FeSe 基超导材料的基础上, 重点介绍了实用化 FeSe 基超导材料多晶块体、 线带材以及薄膜在制备工艺以及性能等方面的研究进展, 最后对其相关领域今后的发展做出展望     

FeSe/SrTiO3高温超导体中的电子条纹相

单层FeSe/SrTiO₃中的界面超导增强是近年来高温超导领域的重要发现.该体系中SrTiO₃衬底对FeSe的超导增强机制已被广泛研究,其调控作用主要表现为两个方面:电荷掺杂和界面电声耦合.然而,关于FeSe薄膜本身的电子特性研究还不够充分.本文介绍该体系超导增强机制的新进展:FeSe薄膜中的电子条纹相及其与超导的关联.通过扫描隧道显微镜结合分子束外延生长技术,对不同厚度的FeSe薄膜进行了系统研究.我们发现FeSe薄膜中电子倾向于排成条纹状结构,并观测到该条纹相随层厚变化显现出从短程到长程的演化.条纹相是一种电子液晶态,它源于薄层FeSe中被增强的电子关联作用.表面电子掺杂一方面会减弱FeSe薄膜中的电子关联作用,逐渐抑制条纹相;另一方面会诱导超导相变,而剩余的条纹相涨落会对超导电性带来额外增强.我们的结果加深了对低维界面超导体系的认识,也揭示了FeSe薄膜本征的特异性,完善了对FeSe/SrTiO₃超导增强机制的理解.     

插层FeSe高温超导体的高压研究进展

通过对FeSe进行化学插层可以将其超导转变温度（T_c）从约8 K提高到40 K以上,实现高温超导电性.最近,我们对两种插层FeSe高温超导材料（Li_0.84Fe_0.16）OHFe_0.98Se和Li_0.36（NH₃）_yFe₂Se₂开展了高压调控研究,发现压力会首先抑制高温超导相（称为SC-I相）,然后在临界压力P_c以上诱导出第二个高温超导相（称为SC-Ⅱ相）,呈现出双拱形T-P超导相图.这两个体系的P_c分别约为5和2 GPa,两个体系SC-Ⅱ相的最高T_c分别可以达到约52和55 K,比相应SC-I相的初始T_c提高了10 K.对（Li_0.84Fe_0.16）OHFe_0.98Se的正常态电输运性质分析表明,SC-I和SC-Ⅱ相的正常态分别具有费米液体和非费米液体行为,意味着这两个超导相可能存在显著差异.此外,还发现这两个体系的SC-Ⅱ相的T_c与霍尔系数倒数1/R_H（∝载流子浓度n_e）具有很好的线性依赖关系.对（Li_0.84Fe_0.16）OHFe_0.98Se的高压X射线衍射测量排除了其在10 GPa以内发生结构相变的可能,因此P_c以上SC-Ⅱ相的出现和载流子浓度的增加很可能起源于压力导致的费米面重构.     

新型交生结构自掺杂铁基超导体

铁基高温超导体的基本结构单元是反萤石型Fe₂X₂层（X为磷族或硫族元素）,因此,设计具有Fe₂X₂层的新化合物成为探索铁基超导材料的有效途径.本文在回顾铁基超导体结构特征和基本结构类型的基础上,归纳总结了铁基超导体块层结构设计的基本原则;着重介绍迄今发现的几类具有层状交生（intergrowth）结构的新型自掺杂铁基超导材料.     

表面吸附K原子的多层FeSe/SrTiO3(001)薄膜的抗磁响应的原位测量

SrTiO₃（001）单晶表面上生长的单层FeSe薄膜显示出了超乎寻常的高温超导电性,其超导增强机制的一个重要因素是电子由衬底转移到了单层FeSe薄膜当中.基于此认识,研究者们在吸附了钾（K）原子的多层FeSe薄膜表面上观察到了类似超导能隙的隧穿能谱和光电子能谱.但这种自上而下的电子掺入方式在多层FeSe薄膜表面上可能引起的高温超导电性,还缺乏零电阻或迈斯纳效应等物性测量实验的直接证实.本研究利用自行研制的一台特殊的多功能扫描隧道显微镜,在生长于SrTiO₃（001）衬底上的多层FeSe薄膜表面上,不但观察到了超导能隙随K吸附量的变化,而且利用原位双线圈互感测量技术,成功地的观察到了该薄膜的抗磁响应,并由此确定了该薄膜样品呈现迈斯纳效应的超导转变温度为23.9 K.其穿透深度随温度的变化呈二次幂指数关系,表明该体系的超导序参量很可能具有S^±配对对称性.     

利用中子散射研究铁基超导体的磁结构

铁基超导材料的高温超导电性发生在反铁磁不稳定的区域,因此其母体的磁结构获得了广泛而深入的研究。文章简要综述了中子散射对铁基超导体磁结构的研究结果,主要按FeAs基和FeSe基两类材料进行介绍。另外,文章还介绍了掺杂导致超导时对一些体系的反铁磁序的影响。     

Superconductivity of the FeSe/SrTiO_3 Interface in View of BCS–BEC Crossover

In paired Fermi systems,strong many-body effects exhibit in the crossover regime between the Bardeen-CooperSchrieffer(BCS)and the Bose-Einstein condensation(BEC)limits.The concept of the BCS-BEC crossover,which is studied intensively in the research field of cold atoms,has been extended to condensed matters.Here by anal.yzing the typical superconductors within the BCS-BEC phase diagram,we find that FeSe-based superconductors are prone to shift their positions in the BCS-BEC crossover regime by charge doping or substrate substitution,since their Fermi energies and the superconducting gap sizes are comparable.Especiall.y at the interface of single-layer FeSe on SrTiO_3 substrate,the superconductivity is relocated closer to the crossover unitary than other doped FeSe-based materials,indicating that the pairing interaction is effectively modulated.We further show that hole-doping can drive the interfacial system into the phase with possible pre-paired electrons,demonstrating its flexible tunability within the BCS-BEC crossover regime.     

高质量FeSe单晶薄膜的制备及相关性能表征

在铁基超导体中,FeSe具有最简单的晶体结构和化学组成,而且其超导转变温度具有较大的调控空间,因此适合作为超导机理研究和应用的载体.高质量样品的研制是物性研究和器件应用的前提,本文系统地研究了利用激光脉冲沉积技术制备FeSe薄膜的工艺条件,在多种衬底上成功地制备出高质量的β-FeSe薄膜,并首次实现了超导临界转变温度从小于2 K到14 K的连续调控,这为FeSe超导机理研究提供了样品支持.为探究FeSe薄膜超导电性变化的起因,从β-FeSe超导电性与晶格常数c正相关出发,基于简单的费米面填充假设,第一性原理计算可以很好地解释晶格常数c的变化规律,但该假设并不能完全符合角分辨光电子能谱实验给出的电子结构演变过程.因此β-FeSe薄膜的超导电性、晶格结构和电子结构三者之间的关系还有待澄清,该问题的解决将为FeSe超导机理研究提供重要的线索,而上述系列高质量的β-FeSe薄膜样品恰好能为该问题的研究提供理想的载体.本文根据实验和已有的相关研究结果,详细介绍了FeSe薄膜的脉冲激光沉积制备及其优化,以期为后续的薄膜研究应用提供参考.     

Synthesis of large FeSe superconductor crystals via ion release/introduction and property characterization

Large superconducting Fe Se crystals of(001) orientation have been prepared via a hydrothermal ion release/introduction route for the first time. The hydrothermally derived Fe Se crystals are up to 10 mm×5 mm×0.3 mm in dimension. The pure tetragonal FeSe phase has been confirmed by x-ray diffraction(XRD) and the composition determined by both inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy(ICP-AES) and energy dispersive x-ray spectroscopy(EDX). The superconducting transition of the Fe Se samples has been characterized by magnetic and transport measurements. The zero-temperature upper critical field H_(c2) is calculated to be 13.2–16.7 T from a two-band model. The normal-state cooperative paramagnetism is found to be predominated by strong spin frustrations below the characteristic temperature T_(sn), where the Ising spin nematicity has been discerned in the FeSe superconductor crystals as reported elsewhere.     

The development of the superconducting PbO-type β-FeSe and related compounds

An overview of the recent development of the superconducting FeSe_1?x and related compounds is presented. Methods to synthesize high purity polycrystalline samples, single crystals and thin films with preferred orientation are described. In addition to the synthesis of FeSe and FeSeTe, the effects of various partial chemical substitutions on Fe and Se/Te site are described. It was found that the effects of chemical doping to the Se-site or Fe-site are rather different. Ionic size of the dopant is found to play a critical role on the occurrence of superconductivity. We also review the physical properties, including transport, magnetic, and thermal properties. There exist interesting transport anomalies in the resistivity at low temperature, and it was found that a structural distortion at low temperature is critical to the occurrence of superconductivity in these materials. However, the exact origin of these observed anomalies is not clear, and the exact pairing symmetry in FeSe-based superconductors is also still in question.     

Molecular beam epitaxy and superconductivity of stoichiometric FeSe and KxFe2_ySe2 crystalline films

Our recent progress in the fabrication of FeSe and KxFe2_ySe2 ultra thin films and the understanding of their superconductivity properties is reviewed. The growth of high-quality FeSe and KxFe2_ySe2 films is achieved in a well controlled manner by molecular beam epitaxy. The high-quality stoichiometric and superconducting crystalline thin films allow us to investigate the intrinsic superconductivity properties and the interplay between the superconductivity and the film thickness, the local structure, the substrate, and magnetism. In situ low-temperature scanning tunneling spectra reveal the nodes and the twofold symmetry in FeSe, high-temperature superconductivity at the FeSe/SrTiO3 interface, phase separation and magnetic order in KxFe2_ySe2, and the suppression of superconductivity by twin boundaries and Fe vacancies. Our findings not only provide fundamental information for understanding the mechanism of unconventional superconductivity, but also demonstrate a powerful way of engineering superconductors and raising the transition temperature.