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FeSe/SrTiO3界面类型剖析与性能对比研究

一、引言

1.1研究背景与意义

超导现象自发现以来，一直是凝聚态物理领域的研究热点。超导材料在零电阻、完全抗磁性等方面展现出独特性质，具有广泛的应用前景，如在电力传输、磁共振成像（MRI）、量子计算等领域。然而，传统超导材料的超导转变温度（T_c）往往需要在极低温环境下才能实现，这极大地限制了其大规模应用。因此，寻找具有更高超导转变温度的新型超导材料，成为了超导领域研究的核心目标之一。

在众多超导材料体系中，FeSe/SrTiO?界面超导体系因其独特的超导特性而备受关注。2012年，薛其坤研究团队利用分子束外延手段，在SrTiO?（STO）衬底上成功制备出单层的FeSe薄膜，并观察到超导的显著增强现象。扫描隧道谱所得到的超导能隙为20.1meV，远高于单晶FeSe的2.2meV；抗磁性测量显示这一体系的超导转变温度在45-85K，角分辨光电子能谱（ARPES）结果显示超导能隙闭合温度在65K以上，这一数值不仅是单晶FeSe超导转变温度（8.5K）的数倍，而且超出所有已知铁基超导体的转变温度。这一发现为高温超导研究提供了新的方向和契机。

FeSe/SrTiO?界面超导体系的超导增强机制成为了研究的焦点。目前普遍认为，界面局域声子模式的电子-声子耦合可能在该界面超导增强中起着重要作用。界面处由于空间平移对称性的破缺，局域成键环境发生变化，从而导致晶格振动与体态不同，形成了局域在界面的声子态。之前角分辨光电子能谱（ARPES）实验观察到了复制带，其能量与主带相差大约90到100meV，该复制带被认为是电子-声子耦合的特征。然而，该复制带的具体机制尚无定论，界面局域的声子模式也尚未被直接观测到，复杂的界面原子结构为获得精确的结构-声子关系带来了挑战。

不同类型的FeSe/SrTiO?界面可能具有不同的原子结构、电子态和声子模式，进而影响其超导性能。研究不同类型的FeSe/SrTiO?界面，有助于深入理解超导机制。通过对比不同界面的原子结构，可以明确原子排列方式、原子间距离等因素对超导性能的影响。研究界面电子态，能够揭示电子的分布、能级结构以及电子之间的相互作用，为理解超导电子配对机制提供关键信息。对界面声子模式的研究，可以确定声子的频率、振动方向以及电子-声子耦合强度，进一步阐明声子在超导过程中的作用。

在材料应用方面，深入研究不同类型FeSe/SrTiO?界面具有重要意义。理解界面特性与超导性能之间的关系，能够为超导材料的设计和优化提供理论指导。通过调控界面原子结构和声子模式，可以实现对超导性能的精准调控，有望开发出具有更高超导转变温度和更好性能的超导材料。这将推动超导材料在能源、医疗、信息技术等领域的广泛应用，为解决能源危机、提高医疗诊断水平、提升信息处理速度等提供新的技术手段。例如，在电力传输领域，使用超导材料可以大大降低输电损耗，提高能源利用效率；在磁共振成像领域，超导材料能够提供更强的磁场，提高成像分辨率和诊断准确性。

研究不同类型FeSe/SrTiO?界面对于揭示超导微观机理、开发高性能超导材料以及推动超导技术应用具有重要的科学意义和实际应用价值，是超导领域研究的重要方向之一。

1.2国内外研究现状

自2012年薛其坤研究团队发现FeSe/SrTiO?界面超导体系的超导增强现象以来，该体系迅速成为国内外超导领域的研究焦点，众多科研团队从不同角度对其展开了深入研究。

在界面原子结构研究方面，实验技术的不断创新为原子尺度的观测提供了可能。北京大学和中国科学院物理研究所的联合团队利用扫描透射电子显微镜结合电子能量损失谱（STEM-EELS）技术，成功识别出FeSe/SrTiO?界面以双层Ti-O作为终止面的原子结构，并在顶层Ti-O面中发现了特殊的原子重构。通过第一性原理计算对不同原子结构进行模拟，进一步验证了实验观测结果，为理解界面原子排列对超导性能的影响提供了重要依据。然而，目前对于界面原子结构的研究仍存在一些挑战，如界面原子结构对样品制备过程中的退火和表面处理等条件非常敏感，导致不同实验结果之间存在一定差异，难以建立统一的原子结构模型。

在界面电子态研究领域，角分辨光电子能谱（ARPES）是一种重要的实验手段。通过ARPES实验，研究人员观测到FeSe/SrTiO?体系中出现了独特的与主带能量偏移为90到100meV的复制带现象，这被普遍认为是电子-声子耦合的特征。但该复制带的具体机制尚无定论，不同理论模型对其解释存在分歧。一些理论认为，复制带可能源于界面处特殊的电子结构和电子-声子相互作用；而另一些理论则认为，界面电荷转移和杂质散射等因素也可能对复制