论文部分内容阅读
铁基超导体是继铜氧化物超导体发现后的又一类高温超导体系，而结构最简单的铁基超导体FeSe，成为了研究这类高温超导体的超导机理的理想体系。在本论文中，我们利用分子束外延(MBE)生长技术，在低阻SrTiO3(100)衬底上生长了不同厚度的原子级平整的FeSe薄膜，并利用扫描隧道显微镜/谱(STM/S)对其进行了研究。主要内容如下: (1)在经过Se刻蚀处理的TiO2终止的SrTiO3(100)衬底上，我们成功地制备了大面积平整的单层FeSe(100)薄膜。STS测量表明单层FeSe薄膜的超导能隙高达20.1 meV，几乎比体相FeSe的超导能隙(2.2 meV，对应的超导转变温度为9.4 K)高一个数量级。磁通研究和变温STS谱的观测更进一步证明了单层FeSe薄膜的超导电性。更有意思的是，两层以上厚度的FeSe薄膜均不超导，说明SrTiO3(100)衬底对单层FeSe薄膜的超导电性发挥了重要的作用。这是一种界面增强的超导现象。 (2)为了理解单层FeSe薄膜的超导电性，我们对不同厚度的FeSe薄膜进行了细致的退火实验研究。结果表明，退火过程有利于减少界面处化学键的无序，使得单层FeSe薄膜和SrTiO3(100)衬底紧密地键合在一起，这为界面增强的超导提供了重要的证据。同时，退火时SrTiO3(100)衬底产生的氧空位的电子掺杂作用还会进一步增大超导能隙。对于两层以上厚度的FeSe薄膜，退火过程会去除薄膜中过量的Se，使薄膜发生从半导体性到金属性的转变。但这些薄膜中存在应力引起的复杂条纹结构，条纹之间的距离只有FeSe超导相干长度的3-4倍，这很可能是抑制两层以上厚度的FeSe薄膜超导的重要原因。我们还研究了单层FeSe薄膜上出现的环状准粒子干涉图案。 (3)通过研究不同纳米尺寸的单层FeSe小岛上的STS谱，我们发现FeSe岛的超导能隙具有谱权重相差很大的相干峰。当较弱的相干峰弱到很难被识别的时候，FeSe岛的超导能隙相对于FeSe薄膜的超导能隙，在沿着能量方向上进行了平移。除此之外，我们还观测到了25 meV的超导能隙，这是由量子尺寸效应引起的费米能级附近态密度增强的结果，也是在铁基超导体系中首次观测到的尺寸效应增强超导现象。此外，在尺寸小于6.7 nm（指岛面积的平方根）的单层FeSe岛中观察不到超导能隙，这是在SrTiO3(100)衬底上生长的单层FeSe薄膜的超导尺寸极限。