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▲第一作者：Hongbin Yang
通讯作者：Xiaoqing Pan
通讯单位：美国加州大学欧文分校
论文doi：10.1038/s41586-024-08118-0（点击文末「阅读原文」，直达链接）
在SrTiO3衬底(1 uc FeSe/STO)上FeSe薄膜界面处观察到的超导转变温度(Tc)的显著提高引起了人们对界面效应的大量研究。尽管这种高Tc被认为与电子-声子耦合(EPC)2有关，但其微观耦合机制及其在超导电性中的作用仍不清楚。1.本工作利用动量选择性高分辨电子能量损失谱对FeSe/STO界面的声子进行原子解析。在75~99 meV能量范围内，本工作发现了与电子强耦合的新的光学声子模式。这些振动模式的特征是界面双TiOx层中氧原子和STO中顶端氧的面外振动。2.本工作的结果还表明，1 uc FeSe/STO的EPC强度和超导能隙与FeSe和TiOx终止的STO之间的层间距密切相关。3.这些发现揭示了界面EPC的微观起源，并为在FeSe/STO和潜在的其他超导系统中实现大且一致的Tc增强提供了见解。图1. 超导1 uc FeSe/STO的界面结构和振动光谱1、本工作利用分子束外延在STO上生长了FeSe薄膜，并在5 K下利用STM-STS测量了1 uc FeSe/STO样品的超导能隙。图1a为样品在500℃的超高真空(UHV)中退火2 h后的dI/dV曲线，显示了约18 meV的超导能隙，证实了增强的超导电性。2、图1b中的原子分辨率HAADF图像显示，在1 uc FeSe薄膜和TiO2终止的STO基底之间存在一个额外的TiOx原子层，在本研究中本工作称之为Ti-O层0。3、为了更好地理解界面结构和键合，本工作进行了高分辨率的芯损耗EELS。如图1c所示，T-L2,3边的eg峰从STO衬底红移了0.3 eV到双TiOx层。降低的晶体场劈裂可能是由STO表面重构中的TiO5截角八面体引起的，这表明在界面处存在Ti3+。O-K边表现出相似的起始能量，但在538 eV附近的第二个峰处有所不同，这是由于双TiOx层中没有Sr 4d态。4、图1d，e表明FeSe薄膜和STO衬底的声子测量值与DFT计算的声子态密度吻合得很好。在界面处，Ti-O层1显示出不同于STO中TiO2层的振动光谱(图1f)。通过比较这两个EEL谱，本工作在53 meV附近和75~88 meV之间(红色阴影)识别出了特定于界面的新振动模式(界面声子)。振动光谱在Ti-O层0处发生了更明显的变化，其中76和84 meV附近的界面模式更加明显(图1g)。1、为了更深入地了解FeSe/STO界面的声子，本工作进一步改进了暗场EELS实验，在动量转移(q)方向引入了选择性。本工作特意将EELS入口孔径定位为平行或垂直于界面平面(图2a,b)。得益于微分散射截面中的q∙e项，这赋予了原子位移平行于q的模式更高的权重，从而可以分别对面内(IP)或面外(OP)振动进行选择性探测。2、利用这种改进的方法，本工作随后从面外和面内测量探索了原子柱分辨的EELS。图2c-e突出了界面的振动各向异性。例如，图2c展示了Sr-O层1中氧柱的EELS，其中100 meV光学声子峰在面外EELS中突出，但在面内EELS中相当弱。3、相反，在面内EELS中，Ti-O层1中氧的光学声子峰更强，如图2d所示。这种振动各向异性可以归因于在100 meV附近氧沿Ti-O键方向振动的偏好性，其中纵向光学声子占主导地位。在Ti-O层0中，尽管由于对称性降低，声子峰变得不明显，但在面外EELS中仍然观察到了更强的93 meV光学声子峰。4、利用高的空间和能量分辨率，以及在q转移方向上的选择性，本工作对界面进行了原子分辨率的暗场EELS映射，得到了两组声子谱图像(图2f-i)。能量滤波后的图像通过在标记的能量窗口内积分得到。图2f，g中的图像是由STO衬底和FeSe薄膜的声子形成的。衬底区域分别在15,40-70和100 meV的能谱图像中显示出Sr，Ti+O和O的原子柱。FeSe中的声子在50 meV以下，因此主要与STO中的Sr列一起出现在15 meV图像中。1、为了研究额外的Ti-O层在Tc增强中的作用，本工作对具有TiOx界面层的FeSe/STO进行了第一性原理计算。考虑到其结构的复杂性，本工作重点研究了具有最低形成能的Ti2O2层间结构。图3a为FeSe/Ti2O2/STO(1 uc)的声子色散图，同时计算了对EPC有重要贡献的两种模式的声子线宽。声子线宽在q=0附近出现较强的峰值，表明前向散射较强。2、78.0 meV处的高能模式和65.7 meV处的低能模式均涉及界面处氧原子的面外振动。进一步，本工作直接计算了FeSe/Ti2O2/STO体系的Eliashberg谱函数α2F(ω)，发现λ=0.57，如图3b所示。3、为了更好地与实验进行对比，计算了STO掺杂量为3 uc的FeSe/Ti2O2/STO模型的声子。图3a中的高能量和低能量声子在3 uc模型中分别移动到91和75 meV，如图3c所示。4、此外，本工作的DFT计算证明了界面TiOx可以引入跨越费米能级的额外能带，电荷密度分布在Ti-O层0和1、Sr-O层1以及FeSe单层周围。由于这些能带的存在，电子和面外氧声子共存于STO的双TiOx层和第一晶胞中。电子波函数和声子波函数之间的空间重叠使得这样的区域对界面EPC至关重要。1、值得注意的是，在FeSe/STO样品中观察到的双TiOx界面并不是唯一的原子结构类型。图4a显示了一种不同类型的界面，其特征是在FeSe和双TiOx界面之间增加了一层原子。根据磁芯损耗EELS，额外层可能由Se原子构成，增加了FeSe第一晶胞与STO衬底之间的距离。2、对于双TiOx型界面，层间距dFe-Ti(定义为1 uc FeSe中Fe平面与Ti-O层0之间的距离)约为4.3 Å。对于Se/TiOx界面，dFe-Ti高达6.5 Å。两种界面的声子强度如图4a、b右图所示。当接近1 uc FeSe时，75和99 meV声子的强度均降低。在大dFe-Ti界面的情况下，1 uc FeSe与STO衬底进一步分离，减少了Fe电子与强耦合声子之间的空间重叠。3、为了将界面结构和声子与超导性能联系起来，本工作测量了1 uc FeSe/STO样品在不同退火温度下的超导能隙。由于STEM-EELS和STM-STS都是局部探针，本工作在同一区域同时使用两种技术进行了多次测量。图4d中的直方图显示，平均Δ和最大Δ均随退火温度的升高而增大。然而，在5 K时也遇到了未观察到间隙打开的区域，这可能与1 uc FeSe/STO样品中大、小d Fe-Ti界面共存有关。https://www.nature.com/articles/s41586-024-08118-0![]()
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