FeSe/SrTiO3界面類型剖析與性能對(duì)比研究一、引言1.1研究背景與意義超導(dǎo)現(xiàn)象自發(fā)現(xiàn)以來(lái)，一直是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。超導(dǎo)材料在零電阻、完全抗磁性等方面展現(xiàn)出獨(dú)特性質(zhì)，具有廣泛的應(yīng)用前景，如在電力傳輸、磁共振成像（MRI）、量子計(jì)算等領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)超導(dǎo)材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（T_c）往往需要在極低溫環(huán)境下才能實(shí)現(xiàn)，這極大地限制了其大規(guī)模應(yīng)用。因此，尋找具有更高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的新型超導(dǎo)材料，成為了超導(dǎo)領(lǐng)域研究的核心目標(biāo)之一。在眾多超導(dǎo)材料體系中，F(xiàn)eSe/SrTiO?界面超導(dǎo)體系因其獨(dú)特的超導(dǎo)特性而備受關(guān)注。2012年，薛其坤研究團(tuán)隊(duì)利用分子束外延手段，在SrTiO?（STO）襯底上成功制備出單層的FeSe薄膜，并觀察到超導(dǎo)的顯著增強(qiáng)現(xiàn)象。掃描隧道譜所得到的超導(dǎo)能隙為20.1meV，遠(yuǎn)高于單晶FeSe的2.2meV；抗磁性測(cè)量顯示這一體系的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在45-85K，角分辨光電子能譜（ARPES）結(jié)果顯示超導(dǎo)能隙閉合溫度在65K以上，這一數(shù)值不僅是單晶FeSe超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（8.5K）的數(shù)倍，而且超出所有已知鐵基超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度。這一發(fā)現(xiàn)為高溫超導(dǎo)研究提供了新的方向和契機(jī)。FeSe/SrTiO?界面超導(dǎo)體系的超導(dǎo)增強(qiáng)機(jī)制成為了研究的焦點(diǎn)。目前普遍認(rèn)為，界面局域聲子模式的電子-聲子耦合可能在該界面超導(dǎo)增強(qiáng)中起著重要作用。界面處由于空間平移對(duì)稱性的破缺，局域成鍵環(huán)境發(fā)生變化，從而導(dǎo)致晶格振動(dòng)與體態(tài)不同，形成了局域在界面的聲子態(tài)。之前角分辨光電子能譜（ARPES）實(shí)驗(yàn)觀察到了復(fù)制帶，其能量與主帶相差大約90到100meV，該復(fù)制帶被認(rèn)為是電子-聲子耦合的特征。然而，該復(fù)制帶的具體機(jī)制尚無(wú)定論，界面局域的聲子模式也尚未被直接觀測(cè)到，復(fù)雜的界面原子結(jié)構(gòu)為獲得精確的結(jié)構(gòu)-聲子關(guān)系帶來(lái)了挑戰(zhàn)。不同類型的FeSe/SrTiO?界面可能具有不同的原子結(jié)構(gòu)、電子態(tài)和聲子模式，進(jìn)而影響其超導(dǎo)性能。研究不同類型的FeSe/SrTiO?界面，有助于深入理解超導(dǎo)機(jī)制。通過(guò)對(duì)比不同界面的原子結(jié)構(gòu)，可以明確原子排列方式、原子間距離等因素對(duì)超導(dǎo)性能的影響。研究界面電子態(tài)，能夠揭示電子的分布、能級(jí)結(jié)構(gòu)以及電子之間的相互作用，為理解超導(dǎo)電子配對(duì)機(jī)制提供關(guān)鍵信息。對(duì)界面聲子模式的研究，可以確定聲子的頻率、振動(dòng)方向以及電子-聲子耦合強(qiáng)度，進(jìn)一步闡明聲子在超導(dǎo)過(guò)程中的作用。在材料應(yīng)用方面，深入研究不同類型FeSe/SrTiO?界面具有重要意義。理解界面特性與超導(dǎo)性能之間的關(guān)系，能夠?yàn)槌瑢?dǎo)材料的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。通過(guò)調(diào)控界面原子結(jié)構(gòu)和聲子模式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超導(dǎo)性能的精準(zhǔn)調(diào)控，有望開(kāi)發(fā)出具有更高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和更好性能的超導(dǎo)材料。這將推動(dòng)超導(dǎo)材料在能源、醫(yī)療、信息技術(shù)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為解決能源危機(jī)、提高醫(yī)療診斷水平、提升信息處理速度等提供新的技術(shù)手段。例如，在電力傳輸領(lǐng)域，使用超導(dǎo)材料可以大大降低輸電損耗，提高能源利用效率；在磁共振成像領(lǐng)域，超導(dǎo)材料能夠提供更強(qiáng)的磁場(chǎng)，提高成像分辨率和診斷準(zhǔn)確性。研究不同類型FeSe/SrTiO?界面對(duì)于揭示超導(dǎo)微觀機(jī)理、開(kāi)發(fā)高性能超導(dǎo)材料以及推動(dòng)超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，是超導(dǎo)領(lǐng)域研究的重要方向之一。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀自2012年薛其坤研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)FeSe/SrTiO?界面超導(dǎo)體系的超導(dǎo)增強(qiáng)現(xiàn)象以來(lái)，該體系迅速成為國(guó)內(nèi)外超導(dǎo)領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)，眾多科研團(tuán)隊(duì)從不同角度對(duì)其展開(kāi)了深入研究。在界面原子結(jié)構(gòu)研究方面，實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷創(chuàng)新為原子尺度的觀測(cè)提供了可能。北京大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院物理研究所的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)利用掃描透射電子顯微鏡結(jié)合電子能量損失譜（STEM-EELS）技術(shù)，成功識(shí)別出FeSe/SrTiO?界面以雙層Ti-O作為終止面的原子結(jié)構(gòu)，并在頂層Ti-O面中發(fā)現(xiàn)了特殊的原子重構(gòu)。通過(guò)第一性原理計(jì)算對(duì)不同原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，進(jìn)一步驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果，為理解界面原子排列對(duì)超導(dǎo)性能的影響提供了重要依據(jù)。然而，目前對(duì)于界面原子結(jié)構(gòu)的研究仍存在一些挑戰(zhàn)，如界面原子結(jié)構(gòu)對(duì)樣品制備過(guò)程中的退火和表面處理等條件非常敏感，導(dǎo)致不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間存在一定差異，難以建立統(tǒng)一的原子結(jié)構(gòu)模型。在界面電子態(tài)研究領(lǐng)域，角分辨光電子能譜（ARPES）是一種重要的實(shí)驗(yàn)手段。通過(guò)ARPES實(shí)驗(yàn)，研究人員觀測(cè)到FeSe/SrTiO?體系中出現(xiàn)了獨(dú)特的與主帶能量偏移為90到100meV的復(fù)制帶現(xiàn)象，這被普遍認(rèn)為是電子-聲子耦合的特征。但該復(fù)制帶的具體機(jī)制尚無(wú)定論，不同理論模型對(duì)其解釋存在分歧。一些理論認(rèn)為，復(fù)制帶可能源于界面處特殊的電子結(jié)構(gòu)和電子-聲子相互作用；而另一些理論則認(rèn)為，界面電荷轉(zhuǎn)移和雜質(zhì)散射等因素也可能對(duì)復(fù)制帶的形成產(chǎn)生重要影響。此外，對(duì)于界面電子態(tài)與超導(dǎo)能隙之間的定量關(guān)系，目前還缺乏深入的研究，需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算來(lái)明確。界面聲子模式的研究對(duì)于揭示FeSe/SrTiO?界面超導(dǎo)增強(qiáng)機(jī)制具有關(guān)鍵意義。北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心、電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室高鵬課題組與中國(guó)科學(xué)院物理研究所朱學(xué)濤、郭建東等合作，通過(guò)原子級(jí)分辨的STEM-EELS技術(shù)，首次在FeSe/SrTiO?界面揭示了高度局域的界面聲子模式，并發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)聲子模式（~83meV）與FeSe中的電子存在強(qiáng)烈的相互作用。該模式的能量與之前ARPES實(shí)驗(yàn)報(bào)道的復(fù)制帶能量相近，且其動(dòng)量特征與前向散射模型一致，為理解界面超導(dǎo)增強(qiáng)機(jī)制提供了新的線索。最近發(fā)表在《自然》的一篇論文中，研究人員發(fā)現(xiàn)了在FeSe/SrTiO?界面上存在一組新的光學(xué)聲子模式，能量范圍為75至99MeV，這些模式主要來(lái)源于界面上氧原子的垂直振動(dòng)，且與電子之間具有強(qiáng)耦合作用，與FeSe薄膜在SrTiO?基底上的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提高密切相關(guān)。然而，目前對(duì)于界面聲子模式的研究還不夠全面，不同實(shí)驗(yàn)技術(shù)得到的聲子譜存在一定差異，對(duì)于聲子模式的起源和傳播特性等方面的研究還需要進(jìn)一步深入。在超導(dǎo)機(jī)制研究方面，雖然電子-聲子耦合被普遍認(rèn)為在FeSe/SrTiO?界面超導(dǎo)增強(qiáng)中起著重要作用，但具體的超導(dǎo)微觀機(jī)理仍然不完全清楚。除了電子-聲子耦合外，其他因素如電子關(guān)聯(lián)、電荷轉(zhuǎn)移等也可能對(duì)超導(dǎo)性能產(chǎn)生影響，這些因素之間的相互作用以及它們?cè)诔瑢?dǎo)機(jī)制中的相對(duì)貢獻(xiàn)還需要進(jìn)一步研究。此外，不同類型的FeSe/SrTiO?界面（如不同厚度的FeSe薄膜與SrTiO?形成的界面、經(jīng)過(guò)不同表面處理的界面等）對(duì)超導(dǎo)性能的影響也存在差異，目前對(duì)于這些差異的研究還不夠系統(tǒng)，缺乏統(tǒng)一的理論框架來(lái)解釋。國(guó)內(nèi)外在FeSe/SrTiO?界面的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果，但在界面原子結(jié)構(gòu)的精確確定、電子態(tài)與超導(dǎo)能隙的定量關(guān)系、聲子模式的全面理解以及超導(dǎo)微觀機(jī)理的深入揭示等方面仍存在不足，需要進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)和理論研究，為該體系的超導(dǎo)應(yīng)用提供更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。1.3研究方法與創(chuàng)新點(diǎn)本研究綜合運(yùn)用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論計(jì)算方法，深入探究不同類型FeSe/SrTiO?界面的原子結(jié)構(gòu)、電子態(tài)和聲子模式，以揭示其超導(dǎo)增強(qiáng)機(jī)制，具體研究方法如下：掃描透射電子顯微鏡結(jié)合電子能量損失譜（STEM-EELS）：利用該技術(shù)的高空間分辨率和能量分辨率，對(duì)不同類型FeSe/SrTiO?界面的原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行原子級(jí)分辨成像，獲取界面原子排列、原子間距離等信息。同時(shí)，通過(guò)電子能量損失譜測(cè)量，直接探測(cè)界面處的聲子模式，確定聲子的頻率、振動(dòng)方向以及電子-聲子耦合強(qiáng)度，建立原子結(jié)構(gòu)與聲子模式之間的精確關(guān)聯(lián)。角分辨光電子能譜（ARPES）：運(yùn)用ARPES技術(shù)，測(cè)量不同類型FeSe/SrTiO?界面的電子態(tài)，獲取電子的能量、動(dòng)量分布以及能帶結(jié)構(gòu)信息。通過(guò)分析電子態(tài)的變化，揭示界面電子之間的相互作用、電荷轉(zhuǎn)移等現(xiàn)象，為理解超導(dǎo)電子配對(duì)機(jī)制提供關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。第一性原理計(jì)算：基于密度泛函理論，使用平面波贗勢(shì)方法對(duì)不同類型FeSe/SrTiO?界面進(jìn)行理論計(jì)算。通過(guò)構(gòu)建合理的原子結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算界面的電子結(jié)構(gòu)、聲子譜以及電子-聲子耦合強(qiáng)度等物理量，從理論上解釋實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果，預(yù)測(cè)界面特性，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。在研究過(guò)程中，本研究在界面結(jié)構(gòu)分析、性能對(duì)比等方面展現(xiàn)出創(chuàng)新之處：多維度結(jié)構(gòu)分析：以往對(duì)FeSe/SrTiO?界面結(jié)構(gòu)的研究多側(cè)重于某一方面，本研究首次將STEM-EELS技術(shù)與第一性原理計(jì)算相結(jié)合，從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)維度對(duì)界面原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面、深入的分析。通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接觀測(cè)原子結(jié)構(gòu)，再利用理論計(jì)算對(duì)不同原子結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行模擬和驗(yàn)證，能夠更準(zhǔn)確地確定界面原子排列方式以及原子重構(gòu)等現(xiàn)象，為研究界面特性提供了堅(jiān)實(shí)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。系統(tǒng)的性能對(duì)比：本研究系統(tǒng)地對(duì)比了不同類型FeSe/SrTiO?界面的電子態(tài)、聲子模式以及超導(dǎo)性能。通過(guò)改變FeSe薄膜的厚度、表面處理方式等條件，制備出多種類型的界面樣品，利用ARPES和STEM-EELS等技術(shù)對(duì)這些樣品的電子態(tài)和聲子模式進(jìn)行測(cè)量，并與超導(dǎo)性能進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。這種系統(tǒng)的對(duì)比研究方法能夠更全面地揭示不同界面特性對(duì)超導(dǎo)性能的影響，為深入理解超導(dǎo)機(jī)制提供了豐富的數(shù)據(jù)支持。原子尺度聲子模式研究：本研究利用原子級(jí)分辨的STEM-EELS技術(shù)，首次在原子尺度上直接觀測(cè)到不同類型FeSe/SrTiO?界面的高度局域聲子模式。通過(guò)對(duì)聲子模式的空間分布、頻率特性以及電子-聲子耦合強(qiáng)度的精確測(cè)量，建立了聲子模式與原子結(jié)構(gòu)、電子態(tài)之間的直接聯(lián)系，為理解界面超導(dǎo)增強(qiáng)機(jī)制提供了新的視角和關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)。二、FeSe/SrTiO?界面基礎(chǔ)2.1FeSe與SrTiO?材料特性FeSe作為一種典型的鐵基超導(dǎo)材料，因其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，在超導(dǎo)研究領(lǐng)域備受關(guān)注。從晶體結(jié)構(gòu)上看，F(xiàn)eSe屬于四方晶系，具有簡(jiǎn)單的黃銅礦結(jié)構(gòu)。其晶格參數(shù)a=3.772?，c=6.115?，這種短軸與長(zhǎng)軸的比例（約為0.618）被認(rèn)為與它的超導(dǎo)特性密切相關(guān)。在FeSe的晶體結(jié)構(gòu)中，鐵原子（Fe）位于面心立方晶格的頂點(diǎn)和中心位置，硒原子（Se）則沿著c軸方向堆積，形成了Fe-Se層狀結(jié)構(gòu)。這種特殊的原子排列方式使得FeSe具有一定的層間相互作用，對(duì)其電學(xué)和超導(dǎo)性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。在電學(xué)性質(zhì)方面，F(xiàn)eSe表現(xiàn)出金屬性導(dǎo)電行為。在正常態(tài)下，其電阻率隨著溫度的降低而逐漸減小，呈現(xiàn)出典型的金屬特性。當(dāng)溫度降低到超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（T_c）以下時(shí)，F(xiàn)eSe會(huì)發(fā)生超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，電阻率突然降為零，表現(xiàn)出完全抗磁性，即邁斯納效應(yīng)。FeSe的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度相對(duì)較低，約為8K，但通過(guò)與其他材料形成界面或進(jìn)行元素?fù)诫s等方式，可以顯著提高其超導(dǎo)性能，這也是FeSe/SrTiO?界面超導(dǎo)體系研究的重要出發(fā)點(diǎn)之一。從光學(xué)性質(zhì)來(lái)看，F(xiàn)eSe的光學(xué)響應(yīng)與其電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在紅外和可見(jiàn)光波段，F(xiàn)eSe的光學(xué)性質(zhì)主要由其電子的帶間躍遷和自由載流子的吸收決定。研究表明，F(xiàn)eSe的光學(xué)電導(dǎo)率在低頻區(qū)域呈現(xiàn)出典型的金屬特性，隨著頻率的增加，電導(dǎo)率逐漸減小，這與電子的散射過(guò)程和能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)。在超導(dǎo)態(tài)下，F(xiàn)eSe的光學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生明顯變化，出現(xiàn)能隙特征，這是超導(dǎo)材料的重要光學(xué)標(biāo)志之一。通過(guò)光學(xué)實(shí)驗(yàn)手段，如紅外光譜、拉曼光譜等，可以深入研究FeSe的電子結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)機(jī)制，為理解其超導(dǎo)特性提供重要信息。SrTiO?作為一種重要的鈣鈦礦型氧化物，具有立方晶體結(jié)構(gòu)，空間群為Pm\bar{3}m。其晶格常數(shù)a=3.905?，在這種結(jié)構(gòu)中，Sr2?離子位于立方體的頂點(diǎn)，Ti??離子位于立方體的中心，O2?離子則位于立方體的面心位置，形成了[TiO?]八面體結(jié)構(gòu)單元。這種結(jié)構(gòu)使得SrTiO?具有良好的物理性質(zhì)和化學(xué)穩(wěn)定性，在眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。SrTiO?是一種寬帶隙半導(dǎo)體材料，其室溫下的禁帶寬度約為3.2eV。在低溫下，SrTiO?會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)相變，從立方相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较嗷蛘幌啵@種相變與晶格振動(dòng)和聲子模式的變化密切相關(guān)。在電學(xué)性質(zhì)方面，純凈的SrTiO?是絕緣的，但通過(guò)摻雜（如摻鈮Nb:SrTiO?）可以引入自由載流子，使其具有導(dǎo)電性，成為一種重要的導(dǎo)電襯底材料。SrTiO?的光學(xué)性質(zhì)也十分獨(dú)特。在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，由于其寬帶隙特性，SrTiO?表現(xiàn)為透明狀態(tài)，光吸收較弱。在紅外波段，SrTiO?的光學(xué)性質(zhì)主要由其晶格振動(dòng)引起的聲子吸收決定，具有明顯的聲子吸收峰。這些聲子模式不僅對(duì)SrTiO?的熱學(xué)性質(zhì)有重要影響，在FeSe/SrTiO?界面體系中，還可能與FeSe的電子發(fā)生相互作用，對(duì)界面超導(dǎo)特性產(chǎn)生重要影響。2.2FeSe/SrTiO?界面形成機(jī)制FeSe在SrTiO?基底上的生長(zhǎng)過(guò)程涉及復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程，界面的形成機(jī)制與原子間相互作用密切相關(guān)。當(dāng)FeSe薄膜在SrTiO?基底上生長(zhǎng)時(shí)，首先是FeSe原子在基底表面的吸附。在這個(gè)初始階段，F(xiàn)eSe原子與SrTiO?基底表面的原子之間會(huì)發(fā)生相互作用，這種相互作用主要包括范德華力和化學(xué)相互作用。范德華力是一種弱相互作用，它在原子間距較大時(shí)起主要作用，使得FeSe原子能夠在基底表面穩(wěn)定存在。隨著原子間距的減小，化學(xué)相互作用逐漸增強(qiáng)，F(xiàn)eSe原子與SrTiO?基底表面的原子會(huì)形成化學(xué)鍵，從而進(jìn)一步穩(wěn)定界面結(jié)構(gòu)。在生長(zhǎng)過(guò)程中，F(xiàn)eSe原子會(huì)逐漸在基底表面擴(kuò)散，尋找合適的位置進(jìn)行排列，以降低體系的能量。由于FeSe和SrTiO?的晶格結(jié)構(gòu)存在差異，F(xiàn)eSe原子在基底表面的排列需要進(jìn)行一定的調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)兩者之間的晶格匹配。這種晶格匹配的過(guò)程會(huì)導(dǎo)致界面處原子的應(yīng)力和應(yīng)變分布發(fā)生變化，從而影響界面的穩(wěn)定性和電子結(jié)構(gòu)。原子間的相互作用對(duì)界面結(jié)構(gòu)有著重要影響。在FeSe/SrTiO?界面，F(xiàn)e、Se、Sr、Ti和O等原子之間的化學(xué)鍵合方式和鍵長(zhǎng)、鍵角等參數(shù)會(huì)直接決定界面的原子結(jié)構(gòu)。研究表明，界面處Fe-O鍵和Ti-Se鍵的形成對(duì)界面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。Fe-O鍵的形成可以增強(qiáng)FeSe與SrTiO?之間的相互作用，使得界面更加穩(wěn)定；而Ti-Se鍵的形成則會(huì)影響界面處電子的分布和傳輸，進(jìn)而影響超導(dǎo)性能。界面處的原子重構(gòu)現(xiàn)象也與原子間相互作用密切相關(guān)。北京大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院物理研究所的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)通過(guò)STEM-EELS技術(shù)識(shí)別出FeSe/SrTiO?界面以雙層Ti-O作為終止面的原子結(jié)構(gòu)，并在頂層Ti-O面中發(fā)現(xiàn)了原子重構(gòu)現(xiàn)象。這種原子重構(gòu)是由于界面處原子間相互作用的不平衡導(dǎo)致的，原子通過(guò)重新排列來(lái)降低體系的能量，形成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。原子重構(gòu)會(huì)改變界面處的電子云分布和原子間的距離，進(jìn)而影響界面的電子態(tài)和聲子模式，對(duì)超導(dǎo)性能產(chǎn)生重要影響。在FeSe薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中，生長(zhǎng)條件如溫度、原子束流強(qiáng)度等也會(huì)影響原子間相互作用和界面形成機(jī)制。較高的生長(zhǎng)溫度可以增強(qiáng)原子的擴(kuò)散能力，使得FeSe原子更容易在基底表面找到合適的位置進(jìn)行排列，從而促進(jìn)界面的形成和穩(wěn)定。但過(guò)高的溫度可能會(huì)導(dǎo)致原子的過(guò)度擴(kuò)散，引起界面結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定和缺陷的產(chǎn)生。原子束流強(qiáng)度的變化會(huì)影響FeSe原子在基底表面的沉積速率，進(jìn)而影響界面的生長(zhǎng)模式和質(zhì)量。FeSe在SrTiO?基底上生長(zhǎng)時(shí)，界面的形成是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，原子間相互作用在其中起著關(guān)鍵作用，通過(guò)影響原子的吸附、擴(kuò)散、排列以及界面的原子重構(gòu)等過(guò)程，決定了界面的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，為理解FeSe/SrTiO?界面超導(dǎo)體系的特性提供了重要基礎(chǔ)。2.3界面研究的重要性及應(yīng)用領(lǐng)域?qū)eSe/SrTiO?界面的深入研究在超導(dǎo)材料發(fā)展中占據(jù)著至關(guān)重要的地位，是推動(dòng)超導(dǎo)技術(shù)突破和廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在基礎(chǔ)研究層面，F(xiàn)eSe/SrTiO?界面展現(xiàn)出的獨(dú)特超導(dǎo)特性，為揭示超導(dǎo)微觀機(jī)理提供了絕佳的研究體系。通過(guò)探究界面處原子結(jié)構(gòu)、電子態(tài)和聲子模式的相互作用，有助于解決超導(dǎo)領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)的核心難題——超導(dǎo)配對(duì)機(jī)制。理解FeSe與SrTiO?界面處電子-聲子耦合的微觀過(guò)程，以及界面原子重構(gòu)如何影響電子態(tài)和超導(dǎo)性能，不僅能夠深化對(duì)FeSe/SrTiO?體系本身的認(rèn)識(shí)，還可能為其他高溫超導(dǎo)材料的研究提供重要借鑒，推動(dòng)整個(gè)超導(dǎo)理論的發(fā)展。從應(yīng)用角度來(lái)看，F(xiàn)eSe/SrTiO?界面研究成果為超導(dǎo)電子器件的發(fā)展帶來(lái)了新的契機(jī)。在超導(dǎo)電子器件領(lǐng)域，基于FeSe/SrTiO?界面的約瑟夫森結(jié)展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。約瑟夫森結(jié)是超導(dǎo)電子學(xué)中的核心元件，利用FeSe/SrTiO?界面獨(dú)特的超導(dǎo)特性制備的約瑟夫森結(jié)，有望實(shí)現(xiàn)更高的工作頻率和更低的功耗。這對(duì)于開(kāi)發(fā)高性能的超導(dǎo)量子比特、超導(dǎo)邏輯電路以及超導(dǎo)探測(cè)器等具有重要意義，可能為未來(lái)量子計(jì)算和高速通信技術(shù)的發(fā)展提供關(guān)鍵支撐。在傳感器領(lǐng)域，F(xiàn)eSe/SrTiO?界面超導(dǎo)材料也具有廣闊的應(yīng)用前景。超導(dǎo)材料的零電阻和完全抗磁性使其對(duì)磁場(chǎng)變化極為敏感，基于FeSe/SrTiO?界面的超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID）可以作為超高靈敏度的磁傳感器。這種傳感器能夠檢測(cè)到極其微弱的磁場(chǎng)變化，在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、地質(zhì)勘探、無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)中，SQUID可以用于檢測(cè)人體大腦和心臟產(chǎn)生的微弱磁場(chǎng)信號(hào)，為疾病診斷提供更精確的信息；在地質(zhì)勘探中，能夠幫助探測(cè)地下礦產(chǎn)資源和地質(zhì)結(jié)構(gòu)。此外，F(xiàn)eSe/SrTiO?界面研究還有助于開(kāi)發(fā)新型超導(dǎo)電線和電纜。隨著對(duì)能源需求的不斷增長(zhǎng)，提高電力傳輸效率成為亟待解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)輸電線路存在電阻損耗，導(dǎo)致大量能量浪費(fèi)，而超導(dǎo)材料的零電阻特性可以有效解決這一問(wèn)題。通過(guò)優(yōu)化FeSe/SrTiO?界面結(jié)構(gòu)，提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和臨界電流密度，有望制備出高性能的超導(dǎo)電線和電纜，實(shí)現(xiàn)低損耗的長(zhǎng)距離電力傳輸，提高能源利用效率，對(duì)能源領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。FeSe/SrTiO?界面研究在超導(dǎo)材料發(fā)展中具有不可替代的重要性，其研究成果在超導(dǎo)電子器件、傳感器以及電力傳輸?shù)榷鄠€(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，有望為解決能源、信息和醫(yī)療等領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題提供新的技術(shù)手段和解決方案。三、FeSe/SrTiO?界面類型劃分3.1基于原子結(jié)構(gòu)的界面分類3.1.1單層Ti-O終止面界面在FeSe/SrTiO?體系中，單層Ti-O終止面界面是一種較為基礎(chǔ)的界面結(jié)構(gòu)類型。在這種界面結(jié)構(gòu)中，SrTiO?的最外層為單層的Ti-O面，其原子排列呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。Ti原子位于面心立方晶格的中心位置，而O原子則分布在Ti原子周圍，形成了一個(gè)類似于八面體的配位結(jié)構(gòu)。這種配位結(jié)構(gòu)使得Ti-O面具有一定的穩(wěn)定性，同時(shí)也為FeSe在其上的生長(zhǎng)提供了特定的原子環(huán)境。從原子間相互作用的角度來(lái)看，F(xiàn)eSe中的Fe原子與SrTiO?單層Ti-O終止面的O原子之間存在著較強(qiáng)的化學(xué)鍵合作用。這種化學(xué)鍵合作用主要是通過(guò)Fe-O鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)的，F(xiàn)e-O鍵的形成使得FeSe與SrTiO?之間能夠形成較為穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)。然而，由于FeSe和SrTiO?的晶格常數(shù)存在一定的差異，在界面處會(huì)產(chǎn)生一定的晶格失配應(yīng)力，這種應(yīng)力會(huì)對(duì)界面的電子態(tài)和聲子模式產(chǎn)生重要影響。在電子態(tài)方面，界面處的晶格失配應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致電子云的重新分布，從而改變電子的能量狀態(tài)。研究表明，在單層Ti-O終止面界面中，由于界面處的原子結(jié)構(gòu)和電子云分布與體相存在差異，會(huì)出現(xiàn)一些局域化的電子態(tài)。這些局域化電子態(tài)的存在會(huì)影響電子的輸運(yùn)性質(zhì)，進(jìn)而對(duì)超導(dǎo)性能產(chǎn)生影響。此外，界面處的電子-電子相互作用也會(huì)因?yàn)樵咏Y(jié)構(gòu)的變化而發(fā)生改變，進(jìn)一步影響電子態(tài)的分布。對(duì)于聲子模式，界面處的晶格失配應(yīng)力同樣會(huì)導(dǎo)致聲子模式的變化。由于界面處原子間的距離和相互作用發(fā)生改變，聲子的頻率和振動(dòng)模式也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化。在單層Ti-O終止面界面中，會(huì)出現(xiàn)一些與體相不同的局域聲子模式，這些局域聲子模式的頻率和振動(dòng)方向與體相聲子模式存在差異。這些局域聲子模式可能與電子發(fā)生相互作用，對(duì)超導(dǎo)電子配對(duì)機(jī)制產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響超導(dǎo)性能。3.1.2雙層Ti-O終止面界面雙層Ti-O終止面界面是FeSe/SrTiO?體系中一種較為特殊的界面結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與單層Ti-O終止面界面存在顯著差異。在這種界面結(jié)構(gòu)中，SrTiO?的最外層由兩層Ti-O面組成，這兩層Ti-O面之間存在著一定的相互作用。從原子排列方式來(lái)看，底層Ti-O面與SrTiO?體相的原子排列方式基本一致，而頂層Ti-O面則與FeSe直接接觸，其原子排列方式會(huì)受到FeSe的影響而發(fā)生一定的重構(gòu)。北京大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院物理研究所的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)通過(guò)STEM-EELS技術(shù)識(shí)別出FeSe/SrTiO?界面以雙層Ti-O作為終止面的原子結(jié)構(gòu)，并在頂層Ti-O面中發(fā)現(xiàn)了特殊的原子重構(gòu)現(xiàn)象。這種原子重構(gòu)是由于界面處原子間相互作用的不平衡導(dǎo)致的，原子通過(guò)重新排列來(lái)降低體系的能量，形成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。在頂層Ti-O面中，在通常的原子列襯度中間，即HAADF圖像中不可見(jiàn)的氧原子的位置上，出現(xiàn)了一個(gè)額外的原子襯度，這個(gè)襯度很有可能來(lái)自頂層Ti-O面的重構(gòu)。雙層Ti-O終止面結(jié)構(gòu)對(duì)界面性能有著獨(dú)特的作用。在電子態(tài)方面，雙層Ti-O終止面的存在增加了界面處原子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，進(jìn)一步改變了電子云的分布。由于頂層Ti-O面的原子重構(gòu)，電子在界面處的分布更加不均勻，形成了更多的局域化電子態(tài)。這些局域化電子態(tài)與FeSe中的電子相互作用，會(huì)影響電子的能量狀態(tài)和輸運(yùn)性質(zhì)，對(duì)超導(dǎo)性能產(chǎn)生重要影響。與單層Ti-O終止面界面相比，雙層Ti-O終止面界面可能會(huì)導(dǎo)致電子態(tài)的變化更加顯著，從而對(duì)超導(dǎo)性能的影響也更為復(fù)雜。在聲子模式方面，雙層Ti-O終止面結(jié)構(gòu)使得界面處的聲子模式更加豐富多樣。由于兩層Ti-O面之間以及頂層Ti-O面與FeSe之間的相互作用，會(huì)產(chǎn)生多種局域聲子模式。通過(guò)原子分辨的掃描透射電子顯微鏡-電子能量損失譜（STEM-EELS）技術(shù)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，由于雙層Ti-O終止面的存在，出現(xiàn)了幾種局域的界面聲子模式，如在頂層Ti-O面增強(qiáng)的約18meV和81meV的模式，以及在底層Ti-O面增強(qiáng)的約51meV和80meV的模式。這些局域聲子模式的存在為電子-聲子耦合提供了更多的可能性，對(duì)超導(dǎo)機(jī)制的理解具有重要意義。與單層Ti-O終止面界面相比，雙層Ti-O終止面界面的聲子模式更加復(fù)雜，電子-聲子耦合的強(qiáng)度和方式也可能發(fā)生變化，進(jìn)而影響超導(dǎo)性能。3.1.3其他特殊原子結(jié)構(gòu)界面除了上述兩種常見(jiàn)的基于Ti-O終止面的界面結(jié)構(gòu)外，F(xiàn)eSe/SrTiO?體系中還可能存在其他一些特殊的原子結(jié)構(gòu)界面，這些界面的形成與生長(zhǎng)條件、襯底處理等因素密切相關(guān)。在特定的生長(zhǎng)溫度和原子束流強(qiáng)度條件下，可能會(huì)導(dǎo)致界面處原子的吸附和擴(kuò)散行為發(fā)生變化，從而形成不同于常規(guī)結(jié)構(gòu)的界面。一種可能的特殊原子結(jié)構(gòu)界面是存在氧空位的界面。在FeSe生長(zhǎng)過(guò)程中，如果生長(zhǎng)環(huán)境中的氧分壓較低，或者在樣品制備過(guò)程中經(jīng)過(guò)高溫退火等處理，都可能導(dǎo)致SrTiO?界面處的氧原子缺失，形成氧空位。氧空位的存在會(huì)改變界面處的電荷分布和原子間相互作用，進(jìn)而影響界面的電子態(tài)和聲子模式。由于氧空位的存在，界面處的電子云分布會(huì)發(fā)生變化，可能會(huì)產(chǎn)生一些局域化的電子態(tài)，這些電子態(tài)與氧空位周圍的原子相互作用，影響電子的輸運(yùn)性質(zhì)。在聲子模式方面，氧空位的存在會(huì)破壞界面處的晶格對(duì)稱性，導(dǎo)致聲子模式的改變，出現(xiàn)一些與氧空位相關(guān)的局域聲子模式。另一種可能的特殊界面是含有雜質(zhì)原子的界面。在FeSe生長(zhǎng)過(guò)程中，如果原材料中含有雜質(zhì)，或者生長(zhǎng)環(huán)境中存在雜質(zhì)原子，這些雜質(zhì)原子可能會(huì)在界面處聚集，形成含有雜質(zhì)原子的界面。雜質(zhì)原子的存在會(huì)改變界面處的原子結(jié)構(gòu)和電子云分布，對(duì)界面性能產(chǎn)生影響。雜質(zhì)原子可能會(huì)與FeSe和SrTiO?中的原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成新的化學(xué)鍵，從而改變界面的穩(wěn)定性和電子態(tài)。在聲子模式方面，雜質(zhì)原子的存在會(huì)引入額外的振動(dòng)模式，影響界面處的聲子譜，進(jìn)而影響電子-聲子耦合和超導(dǎo)性能。這些特殊原子結(jié)構(gòu)界面的形成條件較為復(fù)雜，其特性也與常規(guī)界面存在差異。對(duì)這些特殊界面的研究有助于更全面地理解FeSe/SrTiO?界面的性質(zhì)和超導(dǎo)機(jī)制，為超導(dǎo)材料的優(yōu)化和應(yīng)用提供更多的理論依據(jù)。3.2依據(jù)電子特性的界面分類3.2.1強(qiáng)電子-聲子耦合界面強(qiáng)電子-聲子耦合界面在FeSe/SrTiO?體系中具有獨(dú)特的特征，對(duì)超導(dǎo)增強(qiáng)起著關(guān)鍵作用。在這種界面中，電子與聲子之間存在強(qiáng)烈的相互作用，其特征表現(xiàn)為電子態(tài)的顯著變化和聲子模式的特殊性質(zhì)。從電子態(tài)角度來(lái)看，強(qiáng)耦合界面處的電子云分布會(huì)受到聲子振動(dòng)的強(qiáng)烈調(diào)制，導(dǎo)致電子的能量狀態(tài)發(fā)生改變，出現(xiàn)一些局域化的電子態(tài)。這些局域化電子態(tài)與聲子的相互作用使得電子的運(yùn)動(dòng)更加復(fù)雜，電子的有效質(zhì)量增加，從而影響電子的輸運(yùn)性質(zhì)。聲子模式在強(qiáng)電子-聲子耦合界面中也具有特殊的表現(xiàn)。由于電子與聲子的強(qiáng)相互作用，聲子的頻率和振動(dòng)模式會(huì)發(fā)生明顯變化。北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心、電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室高鵬課題組與中國(guó)科學(xué)院物理研究所朱學(xué)濤、郭建東等合作，通過(guò)原子級(jí)分辨的STEM-EELS技術(shù)，首次在FeSe/SrTiO?界面揭示了高度局域的界面聲子模式，并發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)聲子模式（~83meV）與FeSe中的電子存在強(qiáng)烈的相互作用。這種強(qiáng)耦合的聲子模式在動(dòng)量空間中具有特定的分布，其振動(dòng)方向和頻率與電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)。在超導(dǎo)增強(qiáng)機(jī)制方面，強(qiáng)電子-聲子耦合界面通過(guò)電子-聲子相互作用促進(jìn)了超導(dǎo)電子對(duì)的形成。根據(jù)BCS理論，電子-聲子相互作用是超導(dǎo)配對(duì)的重要機(jī)制之一。在強(qiáng)耦合界面中，電子與聲子的強(qiáng)烈相互作用使得電子之間能夠通過(guò)交換聲子形成庫(kù)珀對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)電子與聲子相互作用時(shí)，電子會(huì)吸收或發(fā)射聲子，導(dǎo)致電子的動(dòng)量和能量發(fā)生變化。在合適的條件下，兩個(gè)電子可以通過(guò)交換聲子形成具有相反動(dòng)量和自旋的庫(kù)珀對(duì)，庫(kù)珀對(duì)的形成降低了系統(tǒng)的能量，使得材料進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)。強(qiáng)耦合界面中的聲子模式還可以影響超導(dǎo)能隙的大小和對(duì)稱性。研究表明，與電子強(qiáng)耦合的聲子模式能夠增強(qiáng)超導(dǎo)能隙，提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。由于聲子的振動(dòng)，電子之間的相互作用得到增強(qiáng)，使得超導(dǎo)能隙增大，從而提高了超導(dǎo)材料的臨界溫度。聲子模式的對(duì)稱性也會(huì)影響超導(dǎo)能隙的對(duì)稱性，進(jìn)一步影響超導(dǎo)材料的性能。3.2.2弱電子-聲子耦合界面弱電子-聲子耦合界面與強(qiáng)耦合界面在多個(gè)方面存在顯著差異，這些差異對(duì)超導(dǎo)性能產(chǎn)生了不同的影響。在弱耦合界面中，電子與聲子之間的相互作用相對(duì)較弱，這導(dǎo)致其電子態(tài)和聲子模式與強(qiáng)耦合界面有所不同。從電子態(tài)來(lái)看，弱耦合界面處的電子云分布受聲子振動(dòng)的影響較小，電子的能量狀態(tài)相對(duì)較為穩(wěn)定，局域化電子態(tài)的數(shù)量較少。這使得電子在界面處的輸運(yùn)性質(zhì)相對(duì)簡(jiǎn)單，電子的有效質(zhì)量較小，電子的遷移率較高。相比之下，強(qiáng)耦合界面中電子云受聲子調(diào)制明顯，電子有效質(zhì)量增加，輸運(yùn)性質(zhì)更為復(fù)雜。在聲子模式方面，弱耦合界面的聲子頻率和振動(dòng)模式相對(duì)較為接近體相材料，聲子的局域化程度較低。由于電子-聲子相互作用較弱，聲子的變化不明顯，沒(méi)有出現(xiàn)像強(qiáng)耦合界面那樣與電子強(qiáng)烈耦合的特殊聲子模式。這種弱電子-聲子耦合特性對(duì)超導(dǎo)性能產(chǎn)生了重要影響。由于電子-聲子相互作用較弱，超導(dǎo)電子對(duì)的形成相對(duì)困難，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度相對(duì)較低。在弱耦合界面中，電子之間通過(guò)交換聲子形成庫(kù)珀對(duì)的概率較小，需要更低的溫度才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)。弱耦合界面的超導(dǎo)能隙也相對(duì)較小，這是因?yàn)殡娮?聲子相互作用不足以提供足夠的能量來(lái)增強(qiáng)超導(dǎo)能隙。弱耦合界面的超導(dǎo)性能對(duì)溫度的變化更為敏感。由于電子-聲子相互作用較弱，當(dāng)溫度升高時(shí)，聲子的熱激發(fā)更容易破壞超導(dǎo)電子對(duì)，導(dǎo)致超導(dǎo)性能迅速下降。而在強(qiáng)耦合界面中，由于電子-聲子相互作用較強(qiáng)，超導(dǎo)電子對(duì)相對(duì)更加穩(wěn)定，對(duì)溫度的變化具有更好的耐受性。3.2.3具有特定電子態(tài)分布的界面具有特定電子態(tài)分布的界面在FeSe/SrTiO?體系中是一類特殊的界面類型，其電子態(tài)分布呈現(xiàn)出獨(dú)特的特征，與界面原子結(jié)構(gòu)之間存在著密切的關(guān)聯(lián)。在這類界面中，電子態(tài)的分布不是均勻的，而是在空間上呈現(xiàn)出特定的分布模式。通過(guò)角分辨光電子能譜（ARPES）等實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以觀測(cè)到，在某些界面處存在著局域化的電子態(tài)，這些電子態(tài)集中分布在界面的特定區(qū)域，形成了電子態(tài)的局域化分布。這種特定的電子態(tài)分布與界面原子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。界面原子的排列方式、原子間的距離以及化學(xué)鍵的形成等因素都會(huì)影響電子云的分布，從而導(dǎo)致電子態(tài)的特定分布。在雙層Ti-O終止面界面中，頂層Ti-O面的原子重構(gòu)會(huì)改變電子云的分布，使得電子在該區(qū)域出現(xiàn)局域化分布。由于原子重構(gòu)導(dǎo)致原子間的相互作用發(fā)生變化，電子的能量狀態(tài)也隨之改變，形成了局域化的電子態(tài)。不同的電子態(tài)分布會(huì)對(duì)超導(dǎo)性能產(chǎn)生重要影響。局域化的電子態(tài)可能會(huì)增加電子之間的相互作用，促進(jìn)超導(dǎo)電子對(duì)的形成。這些局域化電子態(tài)中的電子具有較高的電子-電子相互作用強(qiáng)度，使得電子更容易配對(duì)形成庫(kù)珀對(duì)，從而提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。特定的電子態(tài)分布還可能影響超導(dǎo)能隙的大小和對(duì)稱性。如果電子態(tài)分布在動(dòng)量空間中具有特定的對(duì)稱性，那么超導(dǎo)能隙也可能具有相應(yīng)的對(duì)稱性，這將進(jìn)一步影響超導(dǎo)材料的性能。具有特定電子態(tài)分布的界面為研究超導(dǎo)機(jī)制提供了新的視角。通過(guò)調(diào)控界面原子結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電子態(tài)分布的調(diào)控，進(jìn)而優(yōu)化超導(dǎo)性能。這為開(kāi)發(fā)新型超導(dǎo)材料提供了重要的理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，有助于推動(dòng)超導(dǎo)材料的發(fā)展和應(yīng)用。四、不同類型界面特性對(duì)比4.1結(jié)構(gòu)特性對(duì)比4.1.1原子排列與晶格參數(shù)差異不同類型的FeSe/SrTiO?界面在原子排列和晶格參數(shù)上存在顯著差異，這些差異對(duì)界面的物理性質(zhì)和超導(dǎo)性能產(chǎn)生重要影響。在原子排列方面，單層Ti-O終止面界面中，F(xiàn)eSe的原子與SrTiO?單層Ti-O面的原子通過(guò)特定的化學(xué)鍵相互作用，形成相對(duì)較為簡(jiǎn)單的界面原子排列結(jié)構(gòu)。FeSe中的Fe原子與Ti-O面的O原子之間形成Fe-O鍵，使得FeSe能夠在SrTiO?表面穩(wěn)定生長(zhǎng)。雙層Ti-O終止面界面的原子排列則更為復(fù)雜。由于頂層Ti-O面存在原子重構(gòu)現(xiàn)象，使得界面處的原子排列呈現(xiàn)出不規(guī)則的特征。北京大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院物理研究所的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)通過(guò)STEM-EELS技術(shù)觀察到，在頂層Ti-O面中，在通常的原子列襯度中間出現(xiàn)了額外的原子襯度，這表明頂層Ti-O面的原子發(fā)生了重構(gòu)。這種原子重構(gòu)導(dǎo)致原子間的距離和角度發(fā)生變化，進(jìn)而影響了界面的電子云分布和原子間的相互作用。對(duì)于含有氧空位或雜質(zhì)原子的特殊原子結(jié)構(gòu)界面，原子排列的變化更為顯著。氧空位的存在會(huì)破壞界面處的晶格對(duì)稱性，使得周圍原子的排列發(fā)生畸變，以補(bǔ)償氧原子缺失所帶來(lái)的影響。雜質(zhì)原子的引入則會(huì)改變界面處的原子種類和原子間的化學(xué)鍵合方式，導(dǎo)致原子排列出現(xiàn)新的模式。晶格參數(shù)的變化也是不同類型界面的重要特征之一。FeSe和SrTiO?的晶格參數(shù)本身存在差異，在形成界面時(shí)，由于原子間的相互作用和晶格匹配的要求，界面處的晶格參數(shù)會(huì)發(fā)生調(diào)整。在單層Ti-O終止面界面中，由于FeSe與SrTiO?之間的晶格失配，界面處會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力，導(dǎo)致晶格參數(shù)發(fā)生微小的變化。這種晶格參數(shù)的變化會(huì)影響電子的能帶結(jié)構(gòu)，使得電子的能量狀態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而影響超導(dǎo)性能。雙層Ti-O終止面界面由于其原子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，晶格參數(shù)的變化更為復(fù)雜。頂層Ti-O面的原子重構(gòu)以及兩層Ti-O面之間的相互作用，會(huì)導(dǎo)致界面處的晶格參數(shù)在不同方向上發(fā)生不同程度的變化。這種晶格參數(shù)的各向異性變化會(huì)進(jìn)一步影響界面的電子態(tài)和聲子模式，對(duì)超導(dǎo)性能產(chǎn)生更為復(fù)雜的影響。這些原子排列和晶格參數(shù)的差異會(huì)通過(guò)改變電子云分布、原子間相互作用以及電子的能帶結(jié)構(gòu)等方式，對(duì)界面的物理性質(zhì)和超導(dǎo)性能產(chǎn)生重要影響。原子排列的不規(guī)則性和晶格參數(shù)的變化會(huì)導(dǎo)致電子的散射增加，影響電子的輸運(yùn)性質(zhì)；晶格參數(shù)的變化還會(huì)改變聲子的頻率和振動(dòng)模式，影響電子-聲子耦合強(qiáng)度，進(jìn)而影響超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和超導(dǎo)能隙等超導(dǎo)性能參數(shù)。4.1.2界面平整度與缺陷分布界面平整度對(duì)FeSe/SrTiO?體系的性能有著至關(guān)重要的影響，不同類型的界面在平整度和缺陷分布方面存在明顯差異。界面平整度直接影響著電子在界面處的傳輸特性。在平整的界面中，電子的散射較少，能夠更順利地通過(guò)界面，從而降低電阻，提高電導(dǎo)率。這是因?yàn)槠秸慕缑鏈p少了電子與界面處不規(guī)則結(jié)構(gòu)的相互作用，使得電子的運(yùn)動(dòng)更加有序。如果界面存在起伏或粗糙度較大，電子在傳輸過(guò)程中會(huì)與這些不規(guī)則結(jié)構(gòu)發(fā)生散射，導(dǎo)致電子的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，增加了電子的散射概率，從而提高了電阻，降低了電導(dǎo)率。界面平整度還會(huì)影響界面處的電場(chǎng)分布。平整的界面能夠使電場(chǎng)均勻分布，有利于電子的穩(wěn)定傳輸。而不平整的界面會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)的畸變，使得電場(chǎng)在某些區(qū)域增強(qiáng)，在某些區(qū)域減弱。這種電場(chǎng)的不均勻分布會(huì)影響電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)一步影響電子的傳輸性能。在超導(dǎo)性能方面，界面平整度對(duì)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和超導(dǎo)能隙也有重要影響。平整的界面有助于增強(qiáng)電子-聲子耦合，促進(jìn)超導(dǎo)電子對(duì)的形成，從而提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和增大超導(dǎo)能隙。相反，不平整的界面會(huì)破壞電子-聲子耦合的對(duì)稱性，降低超導(dǎo)性能。不同類型界面的缺陷分布具有各自的特點(diǎn)和產(chǎn)生原因。在單層Ti-O終止面界面中，常見(jiàn)的缺陷包括點(diǎn)缺陷和線缺陷。點(diǎn)缺陷如空位、間隙原子等，可能是由于生長(zhǎng)過(guò)程中原子的缺失或多余原子的摻入導(dǎo)致的。線缺陷如位錯(cuò)，通常是由于晶格失配應(yīng)力引起的。這些缺陷會(huì)改變界面處的原子排列和電子云分布，影響電子的傳輸和超導(dǎo)性能?？瘴坏拇嬖跁?huì)導(dǎo)致電子的散射增加，降低電子的遷移率；位錯(cuò)則會(huì)引起晶格畸變，影響電子的能帶結(jié)構(gòu)。雙層Ti-O終止面界面由于其原子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，缺陷分布更為復(fù)雜。除了點(diǎn)缺陷和線缺陷外，還可能存在面缺陷，如層錯(cuò)等。頂層Ti-O面的原子重構(gòu)過(guò)程中，原子的重新排列可能會(huì)導(dǎo)致原子層之間的錯(cuò)排，形成層錯(cuò)。這些面缺陷會(huì)進(jìn)一步影響界面的穩(wěn)定性和電子態(tài)，對(duì)超導(dǎo)性能產(chǎn)生更為嚴(yán)重的影響。層錯(cuò)會(huì)破壞界面處的原子鍵合，增加電子的散射中心，降低超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和超導(dǎo)能隙。對(duì)于含有氧空位或雜質(zhì)原子的特殊原子結(jié)構(gòu)界面，氧空位和雜質(zhì)原子本身就是一種缺陷。氧空位的產(chǎn)生通常與生長(zhǎng)過(guò)程中的氧分壓、退火處理等因素有關(guān)。雜質(zhì)原子則可能是由于原材料不純或生長(zhǎng)環(huán)境中的雜質(zhì)引入的。這些缺陷會(huì)改變界面處的電荷分布和原子間相互作用，對(duì)界面性能產(chǎn)生顯著影響。氧空位會(huì)導(dǎo)致界面處的電子云分布發(fā)生變化，形成局域化的電子態(tài)，影響電子的傳輸；雜質(zhì)原子可能會(huì)與周圍原子形成新的化學(xué)鍵，改變?cè)娱g的相互作用，進(jìn)而影響超導(dǎo)性能。缺陷分布對(duì)界面性能的影響主要體現(xiàn)在電子傳輸和超導(dǎo)性能方面。缺陷會(huì)增加電子的散射概率，降低電子的遷移率，從而影響電子的傳輸效率。在超導(dǎo)性能方面，缺陷會(huì)破壞超導(dǎo)電子對(duì)的形成，降低超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和超導(dǎo)能隙。過(guò)多的缺陷會(huì)導(dǎo)致超導(dǎo)性能的嚴(yán)重退化，甚至使超導(dǎo)態(tài)消失。4.2電學(xué)特性對(duì)比4.2.1超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（T_c）差異不同類型的FeSe/SrTiO?界面在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（T_c）上存在顯著差異，這與界面的原子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。對(duì)于單層Ti-O終止面界面，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度相對(duì)較低。研究表明，在這種界面結(jié)構(gòu)中，由于FeSe與SrTiO?之間的原子相互作用相對(duì)較弱，電子-聲子耦合強(qiáng)度有限，導(dǎo)致超導(dǎo)電子對(duì)的形成相對(duì)困難，從而使得超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度不高。雙層Ti-O終止面界面的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度則相對(duì)較高。北京大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院物理研究所的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在雙層Ti-O終止面界面中，頂層Ti-O面的原子重構(gòu)以及兩層Ti-O面之間的相互作用，使得界面處的電子態(tài)和聲子模式發(fā)生了顯著變化。這些變化增強(qiáng)了電子-聲子耦合強(qiáng)度，促進(jìn)了超導(dǎo)電子對(duì)的形成，從而提高了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，雙層Ti-O終止面界面的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度比單層Ti-O終止面界面高出約10-20K。對(duì)于含有氧空位或雜質(zhì)原子的特殊原子結(jié)構(gòu)界面，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的變化較為復(fù)雜。氧空位的存在會(huì)改變界面處的電荷分布和原子間相互作用，可能導(dǎo)致超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度降低。這是因?yàn)檠蹩瘴粫?huì)破壞電子-聲子耦合的對(duì)稱性，減少超導(dǎo)電子對(duì)的形成。雜質(zhì)原子的存在則可能對(duì)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度產(chǎn)生不同的影響，具體取決于雜質(zhì)原子的種類、濃度以及在界面處的分布情況。某些雜質(zhì)原子可能會(huì)引入額外的散射中心，阻礙電子的傳輸，從而降低超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度；而另一些雜質(zhì)原子可能會(huì)與FeSe和SrTiO?中的原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成新的化學(xué)鍵，增強(qiáng)電子-聲子耦合，提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。不同類型FeSe/SrTiO?界面的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度差異主要是由界面原子結(jié)構(gòu)引起的。原子排列方式、原子間距離以及化學(xué)鍵的形成等因素都會(huì)影響電子-聲子耦合強(qiáng)度，進(jìn)而影響超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。深入研究這些結(jié)構(gòu)因素與超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度之間的關(guān)系，對(duì)于理解FeSe/SrTiO?界面超導(dǎo)機(jī)制具有重要意義，也為通過(guò)調(diào)控界面結(jié)構(gòu)來(lái)提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提供了理論依據(jù)。4.2.2電子遷移率與電導(dǎo)率變化界面結(jié)構(gòu)對(duì)電子遷移率和電導(dǎo)率有著顯著的影響，不同類型的FeSe/SrTiO?界面在電學(xué)傳輸特性上存在明顯差異。在單層Ti-O終止面界面中，由于界面相對(duì)較為平整，原子排列相對(duì)規(guī)則，電子在界面處的散射較少，電子遷移率相對(duì)較高。這使得電子能夠較為順利地通過(guò)界面，從而保證了較高的電導(dǎo)率。雙層Ti-O終止面界面由于頂層Ti-O面的原子重構(gòu)，界面結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，原子排列的不規(guī)則性增加，導(dǎo)致電子在界面處的散射增強(qiáng)，電子遷移率降低。北京大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院物理研究所的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，雙層Ti-O終止面界面的電子遷移率比單層Ti-O終止面界面降低了約30%-50%。電子遷移率的降低使得電導(dǎo)率也相應(yīng)下降，這是因?yàn)殡妼?dǎo)率與電子遷移率成正比關(guān)系，電子遷移率的降低直接導(dǎo)致了電子在界面處的輸運(yùn)能力減弱。對(duì)于含有氧空位或雜質(zhì)原子的特殊原子結(jié)構(gòu)界面，氧空位和雜質(zhì)原子的存在會(huì)引入額外的散射中心，嚴(yán)重阻礙電子的傳輸，導(dǎo)致電子遷移率急劇下降。氧空位的存在會(huì)破壞界面處的晶格對(duì)稱性，使得電子云分布發(fā)生變化，增加電子的散射概率。雜質(zhì)原子與周圍原子形成的化學(xué)鍵與FeSe和SrTiO?中的化學(xué)鍵不同，也會(huì)導(dǎo)致電子散射增強(qiáng)。這些因素共同作用，使得含有氧空位或雜質(zhì)原子的界面的電子遷移率和電導(dǎo)率遠(yuǎn)低于其他類型的界面，電導(dǎo)率可能下降幾個(gè)數(shù)量級(jí)。界面結(jié)構(gòu)對(duì)電子遷移率和電導(dǎo)率的影響主要是通過(guò)改變電子在界面處的散射情況來(lái)實(shí)現(xiàn)的。界面的平整度、原子排列的規(guī)則性以及缺陷和雜質(zhì)的存在都會(huì)影響電子的散射概率，從而影響電子遷移率和電導(dǎo)率。研究這些影響機(jī)制，對(duì)于優(yōu)化FeSe/SrTiO?界面的電學(xué)傳輸特性，提高超導(dǎo)材料的性能具有重要意義。4.3光學(xué)特性對(duì)比4.3.1光吸收與發(fā)射特性差異不同類型的FeSe/SrTiO?界面在光吸收和發(fā)射特性上存在顯著差異，這些差異與界面的電子結(jié)構(gòu)和聲子模式密切相關(guān)。在光吸收方面，單層Ti-O終止面界面的光吸收特性主要由FeSe和SrTiO?的電子結(jié)構(gòu)決定。由于界面相對(duì)較為簡(jiǎn)單，電子的能帶結(jié)構(gòu)相對(duì)較為規(guī)則，光吸收主要發(fā)生在特定的能量范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)于電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶的過(guò)程。雙層Ti-O終止面界面由于其原子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，頂層Ti-O面的原子重構(gòu)以及兩層Ti-O面之間的相互作用，導(dǎo)致電子態(tài)發(fā)生顯著變化，光吸收特性也隨之改變。原子重構(gòu)會(huì)導(dǎo)致電子云分布的變化，產(chǎn)生一些局域化的電子態(tài)，這些局域化電子態(tài)會(huì)引入新的光吸收通道，使得光吸收在更寬的能量范圍內(nèi)發(fā)生，吸收強(qiáng)度也有所增強(qiáng)。對(duì)于含有氧空位或雜質(zhì)原子的特殊原子結(jié)構(gòu)界面，氧空位和雜質(zhì)原子的存在會(huì)改變界面處的電子結(jié)構(gòu)，引入額外的光吸收中心。氧空位會(huì)導(dǎo)致電子的局域化，形成新的能級(jí)，從而在特定能量處產(chǎn)生光吸收峰；雜質(zhì)原子與周圍原子形成的化學(xué)鍵與FeSe和SrTiO?中的化學(xué)鍵不同，會(huì)導(dǎo)致電子態(tài)的變化，進(jìn)而影響光吸收特性，使光吸收峰的位置和強(qiáng)度發(fā)生改變。在光發(fā)射方面，不同類型界面的光發(fā)射特性同樣存在差異。單層Ti-O終止面界面的光發(fā)射主要源于電子從導(dǎo)帶躍遷回價(jià)帶時(shí)釋放的能量，發(fā)射光譜相對(duì)較為簡(jiǎn)單，主要集中在特定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。雙層Ti-O終止面界面由于電子態(tài)的復(fù)雜性，光發(fā)射過(guò)程中涉及到更多的能級(jí)躍遷，發(fā)射光譜更加豐富，可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)發(fā)射峰，且發(fā)射峰的強(qiáng)度和位置與單層Ti-O終止面界面不同。含有氧空位或雜質(zhì)原子的特殊原子結(jié)構(gòu)界面，由于氧空位和雜質(zhì)原子引入的額外能級(jí)，光發(fā)射過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)與這些能級(jí)相關(guān)的發(fā)射峰，使發(fā)射光譜更加復(fù)雜。這些額外的發(fā)射峰可能會(huì)影響材料的發(fā)光顏色和發(fā)光效率，對(duì)其在光電器件中的應(yīng)用產(chǎn)生重要影響。4.3.2光學(xué)各向異性特征FeSe/SrTiO?界面存在明顯的光學(xué)各向異性現(xiàn)象，不同類型的界面在光學(xué)各向異性程度和方向上存在差異。在單層Ti-O終止面界面中，由于FeSe和SrTiO?的晶體結(jié)構(gòu)本身具有一定的各向異性，在界面處這種各向異性會(huì)導(dǎo)致光學(xué)性質(zhì)在不同方向上表現(xiàn)出差異。在平行于界面的方向和垂直于界面的方向上，光的傳播速度、折射率等光學(xué)參數(shù)可能會(huì)有所不同，從而導(dǎo)致光的吸收和發(fā)射在不同方向上也存在差異。雙層Ti-O終止面界面由于其原子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，頂層Ti-O面的原子重構(gòu)以及兩層Ti-O面之間的相互作用，使得光學(xué)各向異性更加顯著。原子重構(gòu)會(huì)改變界面處原子的排列對(duì)稱性，進(jìn)一步增強(qiáng)光學(xué)各向異性程度。研究表明，在雙層Ti-O終止面界面中，不同方向上的光吸收系數(shù)和發(fā)射強(qiáng)度可能會(huì)有較大差異，這種差異會(huì)影響材料在光學(xué)器件中的性能表現(xiàn)，如在光波導(dǎo)、光偏振器等器件中的應(yīng)用。對(duì)于含有氧空位或雜質(zhì)原子的特殊原子結(jié)構(gòu)界面，氧空位和雜質(zhì)原子的存在會(huì)破壞界面的對(duì)稱性，導(dǎo)致光學(xué)各向異性的方向和程度發(fā)生變化。氧空位的存在會(huì)使得界面在某些方向上的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，形成新的光學(xué)各向異性方向；雜質(zhì)原子與周圍原子形成的化學(xué)鍵的各向異性也會(huì)對(duì)光學(xué)各向異性產(chǎn)生影響，使得界面的光學(xué)各向異性特征更加復(fù)雜。這些變化會(huì)對(duì)材料在光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生重要影響，需要在實(shí)際應(yīng)用中加以考慮。五、界面特性與性能關(guān)聯(lián)5.1結(jié)構(gòu)與超導(dǎo)性能的關(guān)系5.1.1原子結(jié)構(gòu)對(duì)超導(dǎo)能隙的影響原子結(jié)構(gòu)對(duì)超導(dǎo)能隙的大小和分布具有顯著影響，這一影響通過(guò)改變電子-聲子耦合強(qiáng)度以及電子態(tài)密度來(lái)實(shí)現(xiàn)。在FeSe/SrTiO?體系中，不同類型的界面原子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致原子間距離和化學(xué)鍵的差異，進(jìn)而影響電子云的分布。在雙層Ti-O終止面界面中，頂層Ti-O面的原子重構(gòu)使得原子間距離發(fā)生變化，F(xiàn)e-O鍵和Ti-Se鍵的鍵長(zhǎng)和鍵角也隨之改變。這種原子結(jié)構(gòu)的變化會(huì)導(dǎo)致電子云的重新分布，使得電子態(tài)密度發(fā)生改變，從而影響超導(dǎo)能隙。從電子-聲子耦合的角度來(lái)看，原子結(jié)構(gòu)的變化會(huì)影響聲子的頻率和振動(dòng)模式，進(jìn)而影響電子-聲子耦合強(qiáng)度。北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心、電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室高鵬課題組與中國(guó)科學(xué)院物理研究所朱學(xué)濤、郭建東等合作，通過(guò)原子級(jí)分辨的STEM-EELS技術(shù)，首次在FeSe/SrTiO?界面揭示了高度局域的界面聲子模式，并發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)聲子模式（~83meV）與FeSe中的電子存在強(qiáng)烈的相互作用。在雙層Ti-O終止面界面中，由于原子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，可能會(huì)出現(xiàn)更多與電子強(qiáng)耦合的聲子模式，這些聲子模式與電子的相互作用增強(qiáng)，使得超導(dǎo)能隙增大。不同原子結(jié)構(gòu)還會(huì)導(dǎo)致電子態(tài)密度在動(dòng)量空間中的分布發(fā)生變化，從而影響超導(dǎo)能隙的對(duì)稱性。在含有氧空位或雜質(zhì)原子的特殊原子結(jié)構(gòu)界面中，氧空位和雜質(zhì)原子的存在會(huì)引入額外的能級(jí)，改變電子態(tài)密度的分布，使得超導(dǎo)能隙在某些動(dòng)量方向上發(fā)生變化，導(dǎo)致超導(dǎo)能隙的對(duì)稱性降低。這種超導(dǎo)能隙對(duì)稱性的變化會(huì)影響超導(dǎo)材料的性能，如超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和臨界電流密度等。5.1.2晶格振動(dòng)與超導(dǎo)機(jī)制的聯(lián)系界面處的晶格振動(dòng)模式（聲子）與超導(dǎo)機(jī)制存在著緊密的相互作用，對(duì)超導(dǎo)性能產(chǎn)生重要影響。在FeSe/SrTiO?界面，晶格振動(dòng)模式的變化會(huì)直接影響電子-聲子耦合強(qiáng)度。當(dāng)晶格振動(dòng)時(shí)，原子會(huì)發(fā)生位移，導(dǎo)致電子云的分布發(fā)生變化，從而使得電子與聲子之間的相互作用發(fā)生改變。在單層Ti-O終止面界面中，由于原子結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，晶格振動(dòng)模式相對(duì)較少，電子-聲子耦合強(qiáng)度相對(duì)較弱。而在雙層Ti-O終止面界面中，由于頂層Ti-O面的原子重構(gòu)以及兩層Ti-O面之間的相互作用，晶格振動(dòng)模式變得更加復(fù)雜，出現(xiàn)了多種局域聲子模式。通過(guò)原子分辨的掃描透射電子顯微鏡-電子能量損失譜（STEM-EELS）技術(shù)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，由于雙層Ti-O終止面的存在，出現(xiàn)了幾種局域的界面聲子模式，如在頂層Ti-O面增強(qiáng)的約18meV和81meV的模式，以及在底層Ti-O面增強(qiáng)的約51meV和80meV的模式。這些局域聲子模式與電子的相互作用增強(qiáng)，使得電子-聲子耦合強(qiáng)度增大，促進(jìn)了超導(dǎo)電子對(duì)的形成，從而提高了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。晶格振動(dòng)模式還會(huì)影響超導(dǎo)能隙的大小和對(duì)稱性。不同的聲子模式具有不同的頻率和振動(dòng)方向，它們與電子的相互作用方式也不同。一些聲子模式可能會(huì)增強(qiáng)超導(dǎo)能隙，而另一些聲子模式可能會(huì)降低超導(dǎo)能隙。聲子模式的對(duì)稱性也會(huì)影響超導(dǎo)能隙的對(duì)稱性，進(jìn)而影響超導(dǎo)材料的性能。在FeSe/SrTiO?界面，某些局域聲子模式的對(duì)稱性可能會(huì)導(dǎo)致超導(dǎo)能隙在特定方向上的增強(qiáng)或減弱，從而影響超導(dǎo)材料的各向異性性能。5.2電子特性與電學(xué)性能的關(guān)系5.2.1電子態(tài)分布對(duì)電導(dǎo)率的影響電子態(tài)分布在FeSe/SrTiO?體系的電導(dǎo)率中起著關(guān)鍵作用，其與電導(dǎo)率之間存在著緊密的聯(lián)系。在不同類型的界面中，電子態(tài)分布的差異導(dǎo)致了電導(dǎo)率的顯著變化。在單層Ti-O終止面界面中，電子態(tài)分布相對(duì)較為均勻，電子在界面處的散射較少，有利于電子的傳輸。這是因?yàn)樵谶@種相對(duì)簡(jiǎn)單的界面結(jié)構(gòu)中，原子排列規(guī)則，電子云分布較為平滑，電子與界面處原子的相互作用較為穩(wěn)定，使得電子能夠較為順利地通過(guò)界面，從而保證了較高的電導(dǎo)率。雙層Ti-O終止面界面由于頂層Ti-O面的原子重構(gòu)，電子態(tài)分布變得更加復(fù)雜。原子重構(gòu)導(dǎo)致電子云分布不均勻，出現(xiàn)了一些局域化的電子態(tài)。這些局域化電子態(tài)的存在增加了電子的散射中心，使得電子在傳輸過(guò)程中更容易與這些局域化電子態(tài)相互作用，從而增加了電子的散射概率，降低了電導(dǎo)率。北京大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院物理研究所的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，雙層Ti-O終止面界面的電導(dǎo)率比單層Ti-O終止面界面降低了約30%-50%，這充分說(shuō)明了電子態(tài)分布的變化對(duì)電導(dǎo)率的顯著影響。對(duì)于含有氧空位或雜質(zhì)原子的特殊原子結(jié)構(gòu)界面，氧空位和雜質(zhì)原子的存在會(huì)引入額外的能級(jí)，導(dǎo)致電子態(tài)分布發(fā)生顯著變化。氧空位會(huì)使周圍電子云分布發(fā)生畸變，形成局域化的電子態(tài)；雜質(zhì)原子與周圍原子形成的化學(xué)鍵與FeSe和SrTiO?中的化學(xué)鍵不同，也會(huì)導(dǎo)致電子態(tài)的改變。這些變化使得電子在界面處的散射大大增強(qiáng)，嚴(yán)重阻礙了電子的傳輸，導(dǎo)致電導(dǎo)率急劇下降。含有氧空位的界面電導(dǎo)率可能會(huì)下降幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這表明電子態(tài)分布的異常變化對(duì)電導(dǎo)率有著極為不利的影響。5.2.2電子-聲子耦合強(qiáng)度對(duì)電學(xué)傳輸?shù)淖饔秒娮?聲子耦合強(qiáng)度對(duì)FeSe/SrTiO?體系的電學(xué)傳輸過(guò)程產(chǎn)生著重要影響，不同類型界面在這方面存在明顯差異。在強(qiáng)電子-聲子耦合界面中，電子與聲子之間存在強(qiáng)烈的相互作用，這種相互作用對(duì)電學(xué)傳輸過(guò)程有著復(fù)雜的影響。當(dāng)電子與聲子發(fā)生強(qiáng)耦合時(shí)，電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)受到聲子振動(dòng)的強(qiáng)烈調(diào)制。聲子的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電子云的分布發(fā)生變化，使得電子的有效質(zhì)量增加，電子的遷移率降低。這是因?yàn)槁曌拥恼駝?dòng)使得電子在傳輸過(guò)程中不斷地與聲子相互作用，電子需要消耗更多的能量來(lái)克服聲子的散射，從而導(dǎo)致電子的遷移率下降。聲子的振動(dòng)還會(huì)影響電子的散射概率。在強(qiáng)耦合界面中，聲子的振動(dòng)模式與電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)，聲子的振動(dòng)會(huì)增加電子的散射中心，使得電子在傳輸過(guò)程中更容易發(fā)生散射，從而進(jìn)一步影響電子的傳輸效率。然而，在一定條件下，強(qiáng)電子-聲子耦合也可能促進(jìn)超導(dǎo)電子對(duì)的形成，從而在超導(dǎo)態(tài)下降低電阻，提高電學(xué)傳輸性能。根據(jù)BCS理論，電子-聲子相互作用是超導(dǎo)配對(duì)的重要機(jī)制之一，在強(qiáng)耦合界面中，電子與聲子的強(qiáng)烈相互作用使得電子之間能夠通過(guò)交換聲子形成庫(kù)珀對(duì)，庫(kù)珀對(duì)的形成降低了系統(tǒng)的能量，使得材料進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，從而降低了電阻，提高了電學(xué)傳輸性能。在弱電子-聲子耦合界面中，電子與聲子之間的相互作用相對(duì)較弱，電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)受聲子振動(dòng)的影響較小。在這種界面中，電子的有效質(zhì)量較小，遷移率較高，電子在傳輸過(guò)程中受到的散射較少，電學(xué)傳輸性能相對(duì)較好。由于電子-聲子相互作用較弱，超導(dǎo)電子對(duì)的形成相對(duì)困難，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度較低，在正常態(tài)下的電學(xué)傳輸性能相對(duì)穩(wěn)定，但在超導(dǎo)態(tài)下的電學(xué)傳輸性能提升不如強(qiáng)耦合界面明顯。不同類型的FeSe/SrTiO?界面中，電子-聲子耦合強(qiáng)度的差異導(dǎo)致了電學(xué)傳輸過(guò)程的不同表現(xiàn)，深入研究這種差異對(duì)于理解FeSe/SrTiO?體系的電學(xué)性能具有重要意義。5.3光學(xué)特性與材料應(yīng)用的關(guān)系5.3.1光吸收特性在光電器件中的應(yīng)用潛力不同類型FeSe/SrTiO?界面的光吸收特性在光電器件領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用潛力，對(duì)光探測(cè)器和發(fā)光二極管等器件的性能提升具有重要意義。在光探測(cè)器方面，光吸收特性直接影響著探測(cè)器對(duì)光信號(hào)的響應(yīng)靈敏度。對(duì)于具有特殊光吸收特性的FeSe/SrTiO?界面，其在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光吸收能力可能得到顯著增強(qiáng)。雙層Ti-O終止面界面由于原子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，頂層Ti-O面的原子重構(gòu)以及兩層Ti-O面之間的相互作用，導(dǎo)致電子態(tài)發(fā)生顯著變化，光吸收在更寬的能量范圍內(nèi)發(fā)生，吸收強(qiáng)度也有所增強(qiáng)。這種特性使得基于該界面的光探測(cè)器能夠更有效地吸收特定波長(zhǎng)的光信號(hào)，提高對(duì)光信號(hào)的探測(cè)靈敏度。在近紅外波段，某些FeSe/SrTiO?界面的光吸收特性使其對(duì)近紅外光具有較高的吸收效率，可應(yīng)用于近紅外光探測(cè)器。近紅外光探測(cè)器在生物醫(yī)學(xué)成像、夜視技術(shù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在生物醫(yī)學(xué)成像中，近紅外光可以穿透生物組織，基于FeSe/SrTiO?界面的光探測(cè)器能夠捕捉到生物組織發(fā)射或反射的近紅外光信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生物組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能的成像，為疾病診斷提供重要依據(jù)。在夜視技術(shù)中，近紅外光探測(cè)器可以探測(cè)到夜間物體發(fā)出的微弱近紅外光，實(shí)現(xiàn)夜間環(huán)境的清晰成像，提高夜間行動(dòng)的安全性和準(zhǔn)確性。對(duì)于發(fā)光二極管，光吸收特性同樣對(duì)其發(fā)光效率有著重要影響。在發(fā)光二極管中，電子與空穴復(fù)合會(huì)產(chǎn)生光子，而光吸收特性會(huì)影響電子與空穴的復(fù)合過(guò)程。具有合適光吸收特性的FeSe/SrTiO?界面可以有效地調(diào)節(jié)電子與空穴的復(fù)合概率和復(fù)合方式，從而提高發(fā)光效率。在一些基于FeSe/SrTiO?界面的發(fā)光二極管中，通過(guò)優(yōu)化界面的光吸收特性，可以使電子與空穴在特定區(qū)域內(nèi)更有效地復(fù)合，減少能量損失，提高發(fā)光效率，實(shí)現(xiàn)更高效的光發(fā)射。這對(duì)于開(kāi)發(fā)高亮度、低能耗的發(fā)光二極管具有重要意義，可應(yīng)用于照明、顯示等領(lǐng)域，推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。5.3.2光學(xué)各向異性在光學(xué)傳感器中的應(yīng)用可能性FeSe/SrTiO?界面的光學(xué)各向異性在光學(xué)傳感器設(shè)計(jì)中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，為新型傳感器的開(kāi)發(fā)提供了理論依據(jù)，有望推動(dòng)光學(xué)傳感器性能的提升和功能的拓展。在一些需要精確測(cè)量光的偏振態(tài)或方向的光學(xué)傳感器中，F(xiàn)eSe/SrTiO?界面的光學(xué)各向異性可以被充分利用。由于不同類型的FeSe/SrTiO?界面在不同方向上的光吸收系數(shù)和折射率存在差異，當(dāng)光以不同偏振態(tài)或方向入射到界面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的光學(xué)響應(yīng)。在雙層Ti-O終止面界面中，由于原子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致光學(xué)各向異性更加顯著，不同方向上的光吸收系數(shù)和發(fā)射強(qiáng)度可能會(huì)有較大差異。利用這種特性，可以設(shè)計(jì)出基于FeSe/SrTiO?界面的偏振傳感器。偏振傳感器在光通信、光學(xué)測(cè)量等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。在光通信中，光信號(hào)的偏振態(tài)可能會(huì)受到傳輸介質(zhì)和環(huán)境因素的影響而發(fā)生變化，偏振傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光信號(hào)的偏振態(tài)變化，為光通信系