Nature子刊：电子掺杂的FeSe单层材料中伴随Lifshitz转变引起的超导性能增强

【引言】

直到现在，铁基超导体中最高的临界温度都是在FeSe单层材料中实现的。相比于块体FeSe超导临界温度只有8K，FeSe单层材料的超导临界温度要高得多，在钛酸锶衬底上制备得到的FeSe单层薄膜超导临界温度超过50K。该类材料和其它FeSe基材料比如A_xFe_2-ySe₂和(Li,Fe)OHFeSe为何具有相对高得多的超导性能，仍然没有一个准确的机理可以解释，也是铁基超导体领域一个研究的热点。所有具有高临界转变温度的FeSe基材料有一个共同点就是在其布里渊区的中心空穴包的缺失。费米面拓扑对FeSe基材料超导性能的重要性，已经被在FeSe薄膜表面掺入电子载流子、在晶体中掺入钾、在块状材料中用离子液体作为栅介质等实验证明了。对于这一点，很自然就会问，单层的FeSe/STO材料电子掺杂能到什么样的程度，在高电子掺杂的FeSe基材料，超导性能是如何与费米面学联系起来的。

【成果简介】

近日，来自中国科学院物理所的孙煜杰和丁洪（共同通讯）对电子掺杂FeSe单层材料具有增强超导性能进行了深入研究，揭示了其与Lifshitz转变的关系。

研究人员用角分辨光电子能谱等测试方法进行表征，开始用的FeSe/STO单层材料样品，之前已经在350℃退火20小时，这过程将相对较高的电子浓度转移到了样品中，而且其已经被材料具有大电子费米面包证明。之后，研究人员将K原子原位掺杂到样品表面，从而实现更高的掺杂水平。实验结果表明，伴随这着第二Lifshitz转变，材料的超导临界温度会出现15K的快速提升，第二Lifshitz转变是被布里渊区中心出现的电子包证明的，由K原子原位掺杂引起。他们的工作还表明在增强FeSe材料超导性能方面配对交互作用是轨道依赖的。

研究人员的工作为更好地理解FeSe基单层材料具有增强的超导性能打下基础，推动了FeSe基材料相关机理的研究。

【图文导读】

图1  钾覆盖的1UC FeSe/STO费米面演变过程

（a）20K温度下原始样品费米面密度示意图，并且通过一个关于E_F的20meV能量窗进行整合。简并的电子包占据了整个布里渊区大约8.2%面积，根据卢京格尔定理，材料的电子浓度为每个晶胞0.164个电子。

（b-d）与a类似，但是样品经过了K连续覆盖。平板右边的底部的百分比显示的是1-Fe布里渊区M周围费米面电子的面积。M处电子包大小经过连续的K沉积缓慢饱和（~10.4%, ~10.6% 和~10.7%分别代表第一次、第二次、第三次连续的沉积），但是光谱在沉积过程中宽化，这是因为沉积过程中让表面无序度增加。

（e）沿高对称剪切方向动量分布曲线，该方向显示在插图中在K涂层之上，红线是使用多个洛伦兹函数拟合实验数据的结果。

（f）a-d图中费米面对比。

图2  电子能带结构

（a，b）14K温度下，Γ和M附近，沿着图1e插图所示方向的钾涂层角分辨光电子能谱强度演变图。红色的虚线形状为抛物线，指代为分散的能带。

（c）剪切方向与a一致的强度图，只是测试温度是在70K。图像被费米-狄拉克分布函数分隔开，利用解析函数来让E_F以上的状态可视化。

（e）被钾覆盖的样品在Γ附近的强度图，其被He II而不是 He Iα记录，该样品被标记为2。

（d）Γ处EDCs的对比，被He II和 He Iα波束记录。

（f）对Fe 3d,  Se 4p 和 K 4s横截面原子光电离计算结构。

（g）沿着Γ-M高对称线方向分散的能带的对比。Γ附近类电子带能量位置，是从参考文献中得到的，或c中数据预估得到的。

图3  超导能隙

（a）原始的和被钾覆盖的1UC FeSe/STO样品在M附近电子费米面k_F点处的EDCs随温度的演变图。电子掺杂显示在平板之上。红线代表拟合的数据。

（d-f）超导能隙大小与温度关系曲线，数据是分别从a-c图中的拟合曲线获得的。误差棒是从拟合曲线的标准偏差（s.d.）预估得到的。

（g）掺杂量x~0.212的钾覆盖的1UC FeSe/STO样品的费米面示意图。

（h）上部分：被费米-狄拉克函数分隔Γ处EDCs随温度的演变。下部分:低温环境下EDCs进一步与70K环境下的EDCs分离。

（i）14K温度下，不同k_F点处测试得到的对称的EDCs。其在g图中被颜色不同的点标识出来。

（j）极坐标表示的动量与M处附近电子费米面超导能隙大小关系图，误差棒是再次从拟合曲线的标准偏差（s.d.）预估得到的。15meV处近乎各项同行的能隙被灰色虚线圆圈标出。

图4  FeSe的相图

该相图阐明了超导性能和费米面拓扑演变过程。x=0.11处的数据是来源于我们以前的工作。FeSe块状材料的临界温度数据，被青色曲线表示，来源于参考文献13和15。误差棒是从拟合曲线的标准偏差（s.d.）预估得到的。临界温度的误差棒包括了测量的不准确性。我们也注意到虚线可能是外推法的结果，没有考虑到x大约0.214时，材料的不稳定性。

【小结】

研究人员对单层的FeSe/STO材料进行深入表征，发现伴随这着第二Lifshitz转变，材料的超导临界温度会有一个大的提高。而且研究人员用了一个轨道依赖的微观模型来对FeSe/STO材料的超导性和增强的特性进行阐明。他们工作对阐明FeSe/STO材料为何具有增强的超导性能有大的推动作用，加深了人们对FeSe/STO材料相关机理的理解。

文献链接：Enhanced superconductivity accompanying a Lifshitz transition in electron-doped FeSe monolayer（Nature  Communications，2017，DOI: 10.1038/ncomms14988）

本文由材料人电子电工学术组一棵松供稿，材料牛整理编辑。

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。如果你对电子材料感兴趣，愿意与电子电工领域人才交流，请加入材料人电子电工材料学习小组（QQ群：482842474）。欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及内容合作可加编辑微信：xiaofire-18，吴玫，我们会拉各位老师加入专家群。

仪器设备、试剂耗材、材料测试、数据分析，找材料人、上测试谷！