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潘晓晴，加州大学尔湾分校Henry Samueli讲座教授，材料科学与工程系教授、物理与天文学系教授，Irvine材料研究所（IMRI）主任，复杂和活性材料中心（CCAM）主任。
潘晓晴教授长期致力于原子尺度的精细结构以及与物性之间关系的研究。他开创性地开发了新型透射电子显微镜 (TEM) 方法来探测材料的原子级结构、性质和动态行为。尤其是在氧化物电子学领域，他领导的研究小组是国际上处于领先地位的几个研究小组之一。
潘晓晴教授团队的研究目标是从根本上了解纳米工程材料的原子级构效关系，尤其是氧化物异质结构、铁电材料、纳米催化剂和二维材料。近年来，团队重点关注多功能材料的合成和原子级表征，在四维扫描透射电子显微镜 (4D STEM)和振动电子能量损失谱 (EELS)的技术开发方面取得了系列重要进展。
潘晓晴教授在国际高影响力学术期刊上发表论文400余篇，包括Nature, Science, Nature 子刊, Science Advances, Advanced Materials, PNAS, Journal of theAmerican Chemical Society, Physical Review Letters等。
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2022年3月2日，作为共同通讯和南京大学南京大学聂越峰教授、吴迪教授等人合作，将钙钛矿氧化物铁电/介电自支撑双层结构与硅基片进行集成，获得了高密度的铁电拓扑纳米畴（～200 Gbit/inch2），并实现其阻态在外电场下的可逆调控。高密度、可擦写铁电拓扑纳米畴与硅基片的成功集成展示了新奇氧化物极性拓扑结构在新型高密度非易失性存储器中的广阔应用前景。
2024年10月30日，作为唯一通讯作者再次登上Nature，报道了采用动量选择性高分辨电子能量损失谱（EELS）技术，成功解析了FeSe/STO界面处的声子模式。据统计，这是2019年以来，潘老师作为通讯作者发表的第六篇Nature论文。下面，我们对这项研究作简要介绍。
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研究背景
铁硒（FeSe）作为一种新型超导材料，因其在超导转变温度（Tc）方面的优异表现而备受关注，尤其是在与钙钛矿氧化物SrTiO3（STO）基底结合时。与传统的超导材料相比，1个单位层（uc）FeSe/STO界面显示出显著更高的Tc，这使得其在量子计算、能源存储和传感器等领域具有广泛的应用前景。然而，尽管对其电子结构进行了大量研究，FeSe/STO界面处的微观耦合机制仍然不明确，因此理解其超导性质和改进Tc的策略面临挑战。近日，美国加州大学尔湾分校潘晓晴团队在“Nature”期刊上发表了题为“Phonon modes and electron–phonon coupling at the FeSe/SrTiO3 interface”的最新论文。该团队采用动量选择性高分辨电子能量损失谱（EELS）技术，成功解析了FeSe/STO界面处的声子模式。他们发现，在75–99meV的能量范围内，存在新的光学声子模式，这些模式与电子强耦合，主要源于TiOx层和STO中的顶层氧原子的垂直振动。研究表明，EPC的强度与FeSe与TiOx终止的STO之间的层间距密切相关。 通过这项研究，团队显著提高了对FeSe/STO界面微观机制的理解，揭示了氧光学声子在增强超导性能中的重要作用。这一发现不仅为实现FeSe/STO材料的Tc增强提供了新的思路，也为其他超导体系的研究指明了方向。该研究为后续的材料设计与应用奠定了基础，展现了FeSe/STO材料在超导技术领域的巨大潜力。研究亮点
（1）实验首次利用动量选择性高分辨电子能量损失谱（EELS）对1个单位层（1 uc）FeSe/STO界面的声子进行了原子尺度的成像，揭示了在75–99meV能量范围内存在新的光学声子模式，这些声子模式与电子强耦合。（2）实验通过对TiOx层和STO基底中氧原子的垂直振动进行成像，明确了这些声子模式的特征，并表明它们在电子-声子耦合（EPC）中的重要作用。此外，研究发现1 uc FeSe/STO的EPC强度和超导能隙与FeSe与TiOx终止的STO之间的层间距密切相关，表明层间距是增强超导转变温度（Tc）的关键因素。（3）通过结合密度泛函理论（DFT）和频率分辨的冻结声子多层切片（FRFPMS）模拟，进一步验证了声子模式对EPC的贡献。这些发现为理解FeSe/STO界面的微观机制提供了新视角，揭示了界面EPC的微观起源，并为在FeSe/STO及其他超导体系中实现更高Tc的策略提供了潜在的理论依据。 图文解读
图1: 超导1μC FeSe/STO的界面结构和振动光谱。![]()
图3: 电子-声子耦合electron–phonon coupling，EPC的DFT计算。总结展望
本研究展示了通过解析原子尺度振动特征的细微差别来理解复杂界面声子模式的能力。通过选择q转移方向，作者捕获了STO基底和界面双TiOx层中氧原子的垂直振动。双TiOx层的存在促进了Ti–O层1中氧的垂直振动，从而为电子-声子耦合（EPC）提供了额外的声子模式。这些垂直振动产生了对偶极矩，对于与电子的耦合至关重要。除了这里发现的高能和低能模式，Ti–O层0的其他结构也可能显示出更接近FeSe薄膜的垂直振动。此外，作者发现超导1 uc FeSe/STO样品中存在两种界面的共存，特征是不同的dFe-Ti。dFe-Ti与超导能隙（Δ）之间的相关性表明EPC是短程的，因为大dFe-Ti与小dFe-Ti之间的变化相对较小，而与Fuchs–Kliewer声子的空间范围相比更为有限。这种dFe-Ti的变化可能解释了报告中Tc的广泛范围和伪能隙行为。这些发现表明界面结构与EPC之间存在密切关系，强调了界面均匀性对1uc FeSe/STO高Tc的重要性。 总之，作者的振动光谱学结合q选择性为1 uc FeSe/STO界面的原子振动提供了详细成像。作者识别出来自双TiOx层和STO顶层氧的垂直氧振动的强EPC贡献。观察到的层间距变化与超导能隙相关，表明层间距在影响EPC强度和超导性方面的关键作用。这些发现为这一独特界面上Tc的增强提供了微观见解，并为发现界面效应至关重要的新高Tc超导体提供了指导。Yang, H., Zhou, Y., Miao, G. et al. Phonon modes and electron–phonon coupling at the FeSe/SrTiO3 interface. Nature (2024).https://doi.org/10.1038/s41586-024-08118-0 纳米人学术QQ交流群
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