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The Interface Structure of FeSe Thin Film on CaF2 Substrate and its Influence on the Superconducting Performance
ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 8.3 ) Pub Date : 2017-10-11 00:00:00 , DOI: 10.1021/acsami.7b11853 Wenbin Qiu 1, 2 , Zongqing Ma 3 , Dipak Patel 1 , Lina Sang 2 , Chuanbing Cai 2 , Mohammed Shahriar Al Hossain 1 , Zhenxiang Cheng 1 , Xiaolin Wang 1 , Shi Xue Dou 1
ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 8.3 ) Pub Date : 2017-10-11 00:00:00 , DOI: 10.1021/acsami.7b11853 Wenbin Qiu 1, 2 , Zongqing Ma 3 , Dipak Patel 1 , Lina Sang 2 , Chuanbing Cai 2 , Mohammed Shahriar Al Hossain 1 , Zhenxiang Cheng 1 , Xiaolin Wang 1 , Shi Xue Dou 1
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The investigations into the interfaces in iron selenide (FeSe) thin films on various substrates have manifested the great potential of showing high-temperature-superconductivity in this unique system. In present work, we obtain FeSe thin films with a series of thicknesses on calcium fluoride (CaF2) (100) substrates and glean the detailed information from the FeSe/CaF2 interface by using scanning transmission electron microscopy (STEM). Intriguingly, we have found the universal existence of a calcium selenide (CaSe) interlayer with a thickness of approximate 3 nm between FeSe and CaF2 in all the samples, which is irrelevant to the thickness of FeSe layers. A slight Se deficiency occurs in the FeSe layer due to the formation of CaSe interlayer. This Se deficiency is generally negligible except for the case of the ultrathin FeSe film (8 nm in thickness), in which the stoichiometric deviation from FeSe is big enough to suppress the superconductivity. Meanwhile, in the overly thick FeSe layer (160 nm in thickness), vast precipitates are found and recognized as Fe-rich phases, which brings about degradation in superconductivity. Consequently, the thickness dependence of superconducting transition temperature (Tc) of FeSe thin films is investigated and one of our atmosphere-stable FeSe thin film (127 nm) possesses the highest Tconset/Tczero as 15.1 K/13.4 K on record to date in the class of FeSe thin film with practical thickness. Our results provide a new perspective for exploring the mechanism of superconductivity in FeSe thin film via high-resolution STEM. Moreover, approaches that might improve the quality of FeSe/CaF2 interfaces are also proposed for further enhancing the superconducting performance in this system.
中文翻译：
CaF 2衬底上FeSe薄膜的界面结构及其对超导性能的影响
对各种衬底上的硒化铁（FeSe）薄膜界面的研究表明，在这种独特的系统中，具有显示高温超导性的巨大潜力。在当前的工作中，我们获得了在氟化钙（CaF 2）（100）衬底上具有一系列厚度的FeSe薄膜，并使用扫描透射电子显微镜（STEM）从FeSe / CaF 2界面中收集了详细信息。有趣的是，我们发现普遍存在硒化钙（CaSe）中间层，FeSe和CaF 2之间的厚度约为3 nm在所有样品中，这与FeSe层的厚度无关。由于形成了CaSe中间层，在FeSe层中出现了少量的Se缺乏。除了超薄FeSe膜（厚度为8nm）的情况以外，该Se缺陷通常可以忽略不计，其中与FeSe的化学计量偏差足够大以抑制超导性。同时，在过厚的FeSe层（厚度为160nm）中，发现大量沉淀并被识别为富Fe相，这导致超导性降低。因此，研究了FeSe薄膜的超导转变温度（T c）的厚度依赖性，并且我们的一种大气稳定的FeSe薄膜（127 nm）具有最高的T c起始值。迄今为止，在实用厚度的FeSe薄膜中，/ T c为零，为15.1 K / 13.4K。我们的结果为通过高分辨率STEM探索FeSe薄膜中超导机理提供了新的视角。此外，还提出了可能改善FeSe / CaF 2界面质量的方法，以进一步增强该系统中的超导性能。
更新日期：2017-10-11
中文翻译：
CaF 2衬底上FeSe薄膜的界面结构及其对超导性能的影响
对各种衬底上的硒化铁（FeSe）薄膜界面的研究表明，在这种独特的系统中，具有显示高温超导性的巨大潜力。在当前的工作中，我们获得了在氟化钙（CaF 2）（100）衬底上具有一系列厚度的FeSe薄膜，并使用扫描透射电子显微镜（STEM）从FeSe / CaF 2界面中收集了详细信息。有趣的是，我们发现普遍存在硒化钙（CaSe）中间层，FeSe和CaF 2之间的厚度约为3 nm在所有样品中，这与FeSe层的厚度无关。由于形成了CaSe中间层，在FeSe层中出现了少量的Se缺乏。除了超薄FeSe膜（厚度为8nm）的情况以外，该Se缺陷通常可以忽略不计，其中与FeSe的化学计量偏差足够大以抑制超导性。同时，在过厚的FeSe层（厚度为160nm）中，发现大量沉淀并被识别为富Fe相，这导致超导性降低。因此，研究了FeSe薄膜的超导转变温度（T c）的厚度依赖性，并且我们的一种大气稳定的FeSe薄膜（127 nm）具有最高的T c起始值。迄今为止，在实用厚度的FeSe薄膜中，/ T c为零，为15.1 K / 13.4K。我们的结果为通过高分辨率STEM探索FeSe薄膜中超导机理提供了新的视角。此外，还提出了可能改善FeSe / CaF 2界面质量的方法，以进一步增强该系统中的超导性能。
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