新型高分辨率電子能量損失譜儀與表面元激發研究?

朱學濤1)2) 郭建東1)2)?

1)(中國科學院物理研究所,表面物理國家重點實驗室,北京 100190)

2)(北京凝聚態物理國家研究中心,北京 100190)

(2018年4月13日收到;2018年4月23日收到修改稿)

1 引 言

電子能量損失譜(electron energy loss spectroscopy,EELS)是隨著超高真空技術的革新在過去四十多年間迅速興起的一種分析技術.它以高度單色化的電子為入射粒子,激發固體材料電子的帶間/帶內躍遷以及其他多種元激發,通過測量非彈性散射電子的能量分布研究這些準粒子的特征.當入射電子的能量在千電子伏量級或更高時,通常可以將樣品芯態能級上的電子激發到真空能級,這樣的高能EELS利用鑒別每種元素的特征損失峰來確定化學成分.高能EELS譜儀大多裝備在透射電子顯微鏡系統上[1],依賴于電子束聚焦與實空間成像能力,可以給出高空間分辨率的元素分布圖.近年來發展出的高能電子分析器進一步將其能量分辨率提高到優于10 meV水平,能夠開展具有空間分辨的晶格動力學觀測[2].當入射電子的能量在200 eV以下時,表面散射引起的能量損失通常對應著材料表面晶格或表面吸附分子的振動,或外層電子態的躍遷以及電荷集體振蕩等的激發,因此低能EELS可以測量電子的帶邊結構、聲子和表面等離激元等.因低能EELS具備很高的能量分辨率(約1 meV量級),通常被稱作高分辨率電子能量損失譜(HREELS)[3].特別是對晶格聲子的探測,與拉曼散射相比,由于HREELS的激發源——電子具有比光子大得多的動量,具有很強的動量分辨本領.另外HREELS高質量的數據還可以給出準粒子壽命(線寬)的信息,因此在研究以電子-聲子耦合[4]為代表的凝聚態物理問題方面具有不可替代的優勢.此外,利用具有動量分辨能力的HREELS可以研究激子凝聚[5]等凝聚態體系中最基本的物理問題.

傳統的HREELS譜儀所用的分析器不能在多個角度同時測量散射電子的能量,所以其角分辨的測量必須通過轉動樣品、電子源或分析器來實現.因此,探測器的狹縫寬度成為決定能量和動量分辨率的重要因素,而在動量空間的采樣密度及重復性由機械轉動的精度決定,所以測量效率較低.特別是對于聲子色散的測量,如果用一個較高的采樣密度來覆蓋布里淵區中的某個方向,傳統HREELS一般需要數十個小時來完成.由于HREELS是一個表面敏感的探測手段,即便是在超高真空中,樣品表面也會在經過長時間后受到污染,從而使得來自樣品本征的信息受到干擾.對于需要原位解理或原位生長的材料,短時間內完成高效率的測量尤為重要.因此,如果能夠將傳統HREELS譜儀對能量一維解析而對動量逐點測量的傳統方式改為同時對能量/動量的二維探測,將明顯提高測量效率.最近,我們研制出了具有高角分辨能力的電子束源,與商業化的半球形電子能量分析儀相結合,實現了對能量/動量的二維探測.這種新型的具有二維探測能力的高分辨電子能量損失譜儀(2D-HREELS)[6]能夠消除測量中由于機械轉動所引起的誤差,在保證高能量/動量分辨率的前提下,大幅提高了動量分辨測量的效率(測量時間縮短約一個數量級),使整個動量分辨測量時間僅取決于探測器信號的積累時間,最大限度地避免了測量中清潔表面或吸附界面隨測量時間的退化;同時大幅提高了能量/動量空間的采樣密度(二維相平面上的采樣密度提高約三個數量級).該2D-HREELS譜儀可以對表面元激發進行高分辨、高效率的測量,能夠給出電子、晶格及其集體激發的綜合信息,為研究低維材料體系中準粒子的相互作用提供了強大的工具.

元激發和準粒子是凝聚態物理的核心概念,特別是體系中的低能元激發及其相互作用對材料物理性質的形成起關鍵作用.對準粒子的精密測量是理解強關聯物理、新奇物性起源的基礎.能量、動量譜能夠給出準粒子動力學的全面信息,因此新型2D-HREELS譜儀在動量分辨率、動量分辨測量效率以及測量范圍方面的優勢具有重要應用.本文以界面超導和拓撲絕緣體兩個體系為例,詳細討論2D-HREELS譜儀在表面元激發的測量與研究中所取得的進展.

2 新型電子能量損失譜儀的研制

2.1 基本思路

HREELS通過探測低能電子與樣品表面相互作用之后出射電子與入射電子之間的能量差及散射角,根據能量守恒原則獲得樣品表面準粒子的能量,根據動量守恒原則獲得其動量.當一束能量為Ei、動量為ki的電子束以入射角θi與樣品表面相互作用,在散射角θs處其散射動量為ks、能量為Es,如圖1(a)所示,散射電子相對入射電子的能量損失(即準粒子的能量)為

根據平行于表面面內的動量守恒,可以得到

其中,~為普朗克常數,q//為探測到的準粒子在平行于表面的動量. 結合電子的動能關系(m為電子的質量),可以得到準粒子動量與散射角度和能量的表達式:

特別地,對于聲子的測量,總是滿足Eloss? Ei,(3)式可以簡化為

圖1 (a)HREELS電子束散射示意圖;(b)傳統商業化HREELS譜儀結構實物照片,型號ELS-5000,美國LK Technologies公司,http://www.lktech.com/;(c)新型2D-HREELS譜儀結構和電子路徑示意圖Fig.1.(a)Schematic drawing of the electron scattering geometry in HREELS;(b)the setup of traditional commercial HREELS,ELS-5000 from LK Technologies(http://www.lktech.com/);(c)the schematic of the structure and the trace of the electron beam in the 2D-HREELS system.

傳統的HREELS為了測量得到表面準粒子的色散(即Eloss與q//的對應關系),需要改變電子束的入射能量Ei、入射角θi及散射角θs等參數,以獲得不同的動量值及動量范圍.以目前世界上設計應用最廣泛的HREELS譜儀,即美國LK Technologies公司制作的ELS5000型HREELS為例(德國SPECS公司也有同類產品,其設計與性能完全一樣)[7,8],這種譜儀的電子激發源經過兩個127?的扇形單色器使其能量單一化,而散射電子經收集狹縫進入單個127?扇形能量分析器實現能量解析(見圖1(b)),這種設計可以達到很高的能量分辨率,約為1 meV(直通電子束理論設計可達0.5 meV).但它的動量分辨測量通常要依靠機械轉動分析器改變散射角θs來實現,因此其角分辨率僅可以達到大約1?.對于一般的測量參數,入射角為60?,入射電子能量50 eV,對能量損失為50 meV散射電子的動量分辨率為0.06 ??1.而且ELS5000譜儀在動量空間的測量是逐點完成的,也就是需要固定散射角即水平動量傳遞,按散射電子能量逐一計數,再手動改變散射角,重復能量解析計數.如前所述,這種一維的逐點測量方式在動量空間測量的采樣密度受到很大的限制,重復性也比較差,效率低,成為制約HREELS方法更廣泛、更方便地應用于聲子色散譜等問題研究的瓶頸.

為了突破這一瓶頸,我們設計了利用半球形電子能量分析器實現同時對能量/動量進行二維探測的HREELS譜儀.目前的半球型電子能量分析器可以在一個方向上利用電子飛行軌道半徑的不同確定電子的能量,而在垂直的另一個方向上同時分辨電子的散射角度,在探測器上呈現出以能量/動量為X/Y軸的二維強度分布圖,從而高精度地解析散射電子能量、動量及散射強度.目前商業化的半球型電子能量分析器主要應用在角分辨光電子能譜(angle-resolved photoemission spectroscopy,ARPES)中.回顧ARPES方法的發展歷史可以發現,二維探測器的應用[9]大大拓展和深化了ARPES的研究能力,使其成為測量電子譜函數并進而研究以電子-聲子耦合為代表的強關聯物理問題的強大工具[10,11].由于ARPES和HREELS所需要測量的電子能量和動量范圍都比較接近,所以在HREELS中同樣可以使用二維探測器.目前商業化的半球型電子能量分析器適用的探測能量和動量范圍涵蓋了一般的EELS的能量動量區間,將其與傳統HREELS的雙扇形電子單色器聯用,如圖1(c)所示,就可以把傳統譜儀對能量一維解析而對動量逐點測量的方式,革新為同時對能量/動量的二維探測,從而在保證高能量/動量分辨率的前提下,提高動量分辨測量的效率以及能量/動量空間的采樣密度.

2.2 研制要點

傳統的HREELS譜儀中,單色器的出射透鏡和分析器的入射透鏡呈對稱設計,用以減小電子束的發散角.如果簡單地將傳統的HREELS電子激發源與半球形分析器組合起來,這種不對稱的空間結構會極大地增加電子束的發散角,從而影響角分辨率.我們詳細研究了在對HREELS散射電子信號進行能量、動量解析過程中的電子運動軌跡和規律及其與電子受到樣品表面散射前后動能和運動方向的關系.結果表明:激發源電子束的發散角度極其靈敏地影響信號強度和譜儀的動量分辨率(見表1),而其在樣品表面形成束斑的大小在一定范圍內并不起關鍵作用;要使半球形分析器獲得優于0.5?的角分辨率,激發源產生的電子束的發散角必須小于0.4?,電子束的發散角度越小,使用半球形分析器得到的角分辨率就越高.因此,為了更好地實現二維分析器的諸多優勢,必須重新設計電子激發源的出射透鏡組,使其產生的電子束具有盡可能小的發散角.

表1 電子束信號強度與動量分辨率隨激發電子發散角度的變化(能量4 eV,狹縫寬度0.5 mm)Table 1.Changes of the intensity and angular resolution of the electron beam as a function of the divergence angle.

圖2 高角分辨出射透鏡組的設計和模擬圖(經過AIP Publishing的授權,圖片摘自文獻[6]) (a)三個出射透鏡的透視圖和光圈尺寸示意圖,紅線表示模擬的電子束路徑;(b)透鏡組的頂視圖,α為電子束在水平面內的發散角;(c)透鏡組的前視圖,β為電子束在豎直面內的發散角Fig.2.Design and simulation of the exit lens system with high-angular-resolution:(a)Perspective view of the three lens elements,and the red line indicates the simulated trace of the electron beam;(b)top view of panel(a)which shows the horizontal divergence angle α of the beam;(c)front view of panel(a)which shows the vertical divergence angle β of the beam.The fi gure was adapted from Ref.[6],copyright(2015)by AIP Publishing.

我們的設計主要是改進了美國LK Technologies公司的ELS5000型電子激發源的出射透鏡組,在保證電子束能量分辨率的基礎上,獲得最小的電子束發散角.圖2中詳細展示了我們設計的特殊出射透鏡組的結構和電子束發散角的模擬結果.這個出射透鏡組由三個金屬板透鏡組成,每個金屬板的中心開有一個不同形狀的光圈[12],如圖2(a)所示.在單色器的出射光圈M2處,ELS5000型電子激發源可以產生一個在X-Z平面中為0.3 mm,在Y-Z平面中為4 mm的長方形電子束,其在X-Z和Y-Z平面內的發散角分別為±3?和±0.76?.通過改變三個透鏡的參數(位置及每個透鏡的電壓值),在每一組透鏡參數組合下用軟件模擬透鏡組中電子束的發散角,最終確定最優的透鏡參數,并得到優化后的最小發散角:X-Z和Y-Z平面內分別為±0.1?和±0.5?,如圖2(b)和圖2(c)所示.利用我們得到的參數制成透鏡組,然后替換ELS5000型電子激發源上的出射透鏡組,就可以得到具有高角分辨能力的電子激發源,從而與半球形電子分析器聯用,實現2D-HREELS探測.研制好的高角分辨電子激發源在真空腔中安裝在一個可以在水平面內旋轉的平臺上,其旋轉與樣品臺的旋轉同軸.通過調節電子激發源和樣品的轉動,可以調整電子束在樣品表面的入射角θi.真空腔與電子源位置的安排見圖3(a).

我們選用Scienta公司的R4000型高分辨半球形電子能量分析器作為探測器來測量散射電子的角度和能量.在選用最小的狹縫和最小的電子通能的情況下,該探測器的極限能量分辨率可達到0.25 meV,結合我們電子束源最好約0.5 meV的能量分辨率,最終譜儀的極限能量分辨率可以優于1 meV.電子的角分辨探測通過R4000分析器的三種角分辨模式來實現,接收角分別為7?,14?和30?;7?的模式可以用來進行高動量分辨的測量,而30?的模式可以在一次測量中覆蓋盡可能大的動量范圍.此外,R4000分析器可以探測電子能量的范圍為0.2—1000 eV,與我們采用的ELS5000型電子激發源產生的1—200 eV的電子束能量區間相適應.

圖3 (a)2D-HREELS譜儀真空系統三維設計圖;(b)2D-HREELS譜儀實物照片Fig.3.(a)Illustration of the 2D-HREELS system design;(b)the onsite picture of the 2D-HREELS sytem.

譜儀的真空系統三維圖和實物照片見圖3.由于電子在磁場中會發生偏轉,譜儀真空腔中的殘余磁場要盡可能地小,因此我們選用具有優良磁場屏蔽能力的雙層μ金屬來制作譜儀的分析腔,使樣品處的磁場強度小于2 mG(1 G=10?4T).分析腔的真空在烘烤之后可達到1.0×10?10Torr(1 Torr=1.33322×102Pa).分析腔的樣品臺采用包括三維平動以及三維轉動的六軸樣品臺,并且安裝有使用液氦連續流降溫的低溫系統,樣品最低溫度可以降至35 K.此外我們為譜儀配套設計了樣品制備腔,配備了5軸樣品臺、離子濺射槍、金屬蒸發源等,可以進行樣品的原位解理、生長、表面處理、退火等,為HREELS譜儀的測量提供樣品制備的保障.樣品制備腔的真空度最低可達到6.5×10?11Torr.在制備腔中制備完成的樣品會經過超高真空原位傳樣系統傳入分析腔中的六維低溫樣品臺上,在進行HREELS實驗之前,可以使用分析腔中配備的低能電子衍射儀對樣品的表面質量、晶格及晶向等信息進行表征.

特別地,我們在分析腔中配備了Scienta公司的VUV5000型紫外光源以及VUV5047型紫外光單色器,能夠產生能量為21.2 eV(氦I)和40.8 eV(氦II)的單色化的紫外光.將紫外光與R4000型半球形電子能量分析器聯用,可以進行ARPES測量.所以在分析腔中切換電子源和紫外光源,就可以方便地切換HREELS測量模式或ARPES測量模式,實現在同一套系統中對同樣的樣品進行原位電子結構與聲子色散兩個方面的測量,這對材料表面電子與聲子相互作用的研究具有重要意義.

2.3 性能測試

譜儀安裝之后,我們對譜儀的性能進行了詳細的測量表征.通過測量電子直通束,即不經過樣品散射,電子束直接由電子激發源打入半球形分析器,測得了譜儀的基本參數,主要包括:樣品處的電子束斑大小為0.5 mm(半高全寬,FWHM);電子束的水平面內發散角約為0.3?(與圖2中的模擬結果相似);樣品電流可以高達300 pA,與傳統HREELS譜儀相似;譜儀的極限能量分辨率達到0.7 meV,與傳統HREELS譜儀相似;極限動量分辨率高達0.002 ??1,比傳統HREELS譜儀提高約一個數量級.關于譜儀的設計、構成以及測試的詳細信息,可以參見文獻[6].

對于譜儀二維測量能力的展示,我們選用了典型的銅基高溫超導體材料Bi2Sr2CaCuO8+δ(Bi2212)進行測量.Bi2212是一種易于原位解理的層狀材料,并且有傳統HREELS的測量數據[4]可資比較.在此項測試中,我們選用的HREELS參數包括:電子束入射能量Ei=60 eV,入射角θi=60?,半球形探測器的通能Ep=5 eV.圖4展示了測量結果.其中,圖4(a)是散射強度在能量-動量二維平面上的分布圖像;圖4(b)是圖4(a)沿能量方向對強度做二次微分后的結果;圖4(c)是圖4(a)在不同動量值處強度隨能量的分布曲線,相當于傳統HREELS譜儀測到的能量損失譜線的羅列.圖4(a)明顯地反映出了HREELS譜典型的散射特征:在鏡面反射方向附近,即動量交換為0附近,在散射譜中占主導地位的是偶極子散射(dipole scattering);而在偏離鏡面反射方向即動量交換較大的區域,在散射譜中占主導地位的是碰撞散射(impact scattering)[3].這兩種散射機制具有不同的選擇定則,因此能夠反映測量到振動模式的對稱性的信息.在偶極子散射的區域,3個能量損失峰非常明顯,其在碰撞散射區域也有較強的信號(圖中的1,3,5),其中能量在80 meV附近的模式具有明顯的隨動量增大而軟化的特征,這與之前的傳統HREELS譜儀的測量結果[4]基本一致.除了這3個模式,在圖4(b)的二次微分譜中還能看到另外兩個模式(圖中的2,4),它們在偶極散射區域基本沒有信號,只有在碰撞散射區內才能看到,很有可能對應著平行于表面的面內振動.這兩個模式在類似于圖4(c)的傳統HREELS能譜測量中很難被分辨出來.

圖4 (a)Bi2212樣品沿著節線方向的HREELS散射強度在能量-動量二維軸上的分布圖像,其中強度使用對數坐標繪制,測量參數為電子束入射能量Ei=60 eV,入射角θi=60?,半球形探測器的通能Ep=5 eV,樣品溫度T=35 K,圖中的虛線為測得的5個特征損失峰的示意曲線;(b)二維強度分布圖沿能量方向做二次微分后的結果;(c)不同動量值處強度隨損失能量的分布曲線,虛線為5個特征損失峰的示意曲線Fig.4.(a)2D-HREELS energy-momentum mapping of Bi2212 at T=35 K,with Ei=60 eV,θi=60?,and Ep=5 eV,showing the inelastic scattering signal from Bi2212 along the nodal direction.The intensity is plotted in logarithmical scale.The dashed lines are guides to the eye of the 5 energy loss features.(b)The second derivative image along the energy deirection obtained from(a).(c)The energy distribution curves at di ff erent momentum values,with the dashed lines showing the 5 energy loss features.

新型2D-HREELS譜儀的最大優勢之一就是其采樣密度很大,不同于傳統HREELS譜儀一次掃描測量得到一個動量-能量值,最終只能通過機械轉動得到一組分立的動量-能量點,動量空間內的采樣密度被機械轉動的角度所限定.而新型2DHREES譜儀得到的是在動量空間內連續的能帶.新型2D-HREELS譜儀的另外一大優勢是其測量效率非常高.如圖4(a)這樣的二維譜是未經過任何樣品或電子源的機械轉動而一次掃描獲得,采樣時間由動量值最大處的信噪比決定.例如,圖4(a)的采集大約為5 h.而傳統的HREELS譜需要每個動量點都進行時間累積掃描,獲得一個動量空間內比較合理的采樣密度的譜需要至少數10 h.

3 FeSe/SrTiO3超導增強界面的晶格動力學研究

FeSe/SrTiO3界面的超導增強機制是近兩年凝聚態物理研究的熱點問題之一.薛其坤課題組于2012年初報道,單層FeSe/SrTiO3界面的超導能隙最高可達約20 meV,對應的超導轉變溫度(Tc)可能在液氮溫區[13],遠遠高于體相FeSe材料的Tc(約8 K)[14].這種被界面大大增強的超導現象引起了科學家們的廣泛關注.一方面,它為深入研究高溫超導機理提供了相對簡單又較為精確可控的體系;另一方面,它更易于通過外場實現對物理性質的人工調控,因此有望獲得實際的器件應用.目前,單層FeSe/SrTiO3界面的超導研究已經成為凝聚態物理中,特別是界面超導領域研究的熱點,產生了大量實驗及理論方面的工作[15?18],目前普遍認為單層FeSe/SrTiO3體系的Tc可達到55—65 K.理解界面高溫超導機制能夠幫助尋找具有更高Tc的界面體系,并很有可能有助于理解普遍的高溫超導機制.然而,FeSe/SrTiO3界面的超導增強機制目前尚不明確,是界面超導領域亟待解決的重大問題之一.

目前已有的大量研究結果表明,由襯底向FeSe薄膜的界面電荷轉移是其界面超導增強不可或缺的因素[16?18].然而,在不存在襯底和界面的體相FeSe中,通過離子液體[19?21]、表面吸附堿金屬[22,23]、元素插層[24,25]等多種方式摻入電子,在電子濃度達到單層FeSe/SrTiO3同樣水平時,其Tc最多僅能達到40—45 K.單層FeSe/SrTiO3中肯定存在其他界面效應[26]來獲得另外約20 K的Tc增強.特別是目前發現單層FeSe生長在SrTiO3的不同晶面上[27,28],或是在TiO2[29,30],BaTiO3[31]等其他含有Ti-O八面體的襯底上后,其超導Tc都能達到65 K左右.這一增強過程可以被稱為FeSe超導Tc的“三級跳”,如圖5所示,FeSe體相Tc約為8 K;通過電子摻雜,Tc可以升到約40 K區間;當生長在氧化物襯底上之后,Tc可以進一步升到約60 K區間.可見氧化物襯底的Ti-O八面體的構型在其Tc增強中具有不可或缺的作用,詳細研究其晶格動力學對理解其超導增強機制具有重要的意義.

我們利用前述新型2D-HREELS譜儀測量了在SrTiO3襯底上生長的不同厚度FeSe薄膜的表面聲子譜及其隨溫度的變化,并結合第一性原理計算研究了FeSe薄膜中磁有序對晶格動力學的影響[32].測量結果表明,FeSe的聲子色散基本不會隨著層厚的變化而發生改變,SrTiO3襯底的存在也不會影響FeSe薄膜的晶格動力學.結合表面德拜溫度的測量結果,FeSe薄膜中由Fe原子和Se原子振動產生的聲子在界面超導增強沒有顯著的作用,超導增強機制無法用傳統的Baradeen-Cooper-Schrie ff er理論來解釋.此外,磁相互作用一直以來被認為是鐵基超導中的最重要的候選配對起源,然而,由于缺乏對單層薄膜磁有序的有效探測手段,單層FeSe薄膜中是否存在磁有序尚不明確.我們通過第一性原理計算與FeSe聲子色散測量的結合,發現只有當FeSe薄膜中具有反鐵磁自旋排列時,其計算的聲子色散才能與HREELS測量結果相符合(見圖6),說明磁相互作用在FeSe薄膜的超導中具有重要作用[32].

圖5 FeSe體系超導Tc跳變示意圖,其中FeSe體相Tc約8 K;通過電子摻雜,Tc可以升到約40 K區間;當生長在氧化物襯底上之后,Tc可以進一步升到約60 K區間Fig.5.Illustration of the Tcenhancement in FeSe systems.Tcof bulk FeSe is～8 K.With electron doping,Tcof bulk FeSe can reach～40 K.When single layer FeSe is grown on oxide substrate,Tccan be enhanced to～60 K.

圖6 單層薄膜中FeSe聲子的2D-HREELS測量結果與理論計算的比較(經過美國物理學會的授權,圖片摘自文獻[32])(a)考慮FeSe晶格中反鐵磁有序的情形;(b)不考慮FeSe晶格中磁序的情形;圖中彩色的背底是2D-HREELS測得的聲子強度分布,實線是理論計算的聲子色散,桔色五角星表示拉曼散射測得的FeSe體相A1g(22.6 meV)和B1g(25.6 meV)聲子模式[33]Fig.6.Comparison between experimental 2D-HREELS data and theoretical calculations for single-layer FeSe fi lms:(a)With checkerboard AFM spin con fi guration on Fe lattice;(b)without magnetic structure on Fe lattice.Coloured backgrounds are 2D-HREELS phonon intensity mapping,and solid lines are calculated phonon dispersion curves.Orange stars label the A1gmode(22.6 meV)and B1gmode(25.6 meV)measured by Raman scattering[33].The if gure was adapted from Ref.[32],copyright(2018)by the American Physical Society.

更重要的是,HREELS不僅可以觀測到FeSe薄膜的聲子模式,還能夠觀測到SrTiO3襯底的光學Fuchs-Kliewer(F-K)聲子模式,即圖7(a)中能量大于40 meV的模式.說明SrTiO3的F-K模式產生的偶極電場能夠穿透FeSe薄膜,并且與FeSe薄膜中的電子發生較強的電子-聲子耦合作用.特別地,F-K模式的強度隨著FeSe膜厚度的增加呈指數衰減,與超導能隙隨FeSe膜厚度的衰減規律完全一致,如圖7(b)所示,說明襯底晶格振動與FeSe薄膜中電子的相互作用是FeSe/SrTiO3界面超導增強的關鍵[34].此外,通過對TiO2,BaTiO3等不同氧化物襯底的測量,發現這種F-K模式在氧化物中普遍存在[32],從而解釋了在TiO2,BaTiO3以及SrTiO3(110)等襯底上生長的FeSe薄膜同樣具有界面超導增強的原因.圖7(c)形象地示意了氧化物襯底中的聲子通過電場與FeSe薄膜中的電子相互作用的圖像.然而襯底中的F-K模式在界面超導增強中的詳細物理機制并不清楚,仍然需要后續相關工作的深入研究.

圖7 (a)單層FeSe/SrTiO3體系的2D-HREELS測量結果,在低能端由FeSe貢獻的聲子(<40 meV)之外,還測到了襯底的光學支聲子(>40 meV);(b)襯底中α模式的強度隨厚度的變化及指數衰減擬合的結果;表面沉積K的FeSe/SrTiO3樣品的超導能隙隨厚度的變化及指數衰減擬合的結果,數據源自文獻[35];(c)氧化物襯底中的聲子通過電場與FeSe薄膜中的電子相互作用的示意圖(經過美國物理學會的授權,圖中(a)摘自文獻[32],(b)摘自文獻[34])Fig.7.(a)Energy-momentum mapping of 2D-HREELS measurements of 1uc-FeSe/SrTiO3samples,where red solid lines are guides to the eye;(b)plot and exponential fi tting of the peak height of the α mode as a function of the FeSe thickness(blue),plot and exponential fi tting of the superconducting gap size for the K-doped FeSe/SrTiO3as a function of the FeSe thickness(red),with data extracted from Ref.[35];(c)illustration of the penetration of the electric fi eld generated by the substrate oxide phonons into FeSe fi lms.The fi gure(a)was adapted from Ref.[32],and the fi gure(b)was adapted from Ref.[34],copyright(2018,2016)by the American Physical Society.

4 三維拓撲絕緣體表面的反常等離激元研究

在凝聚態物理學中,等離激元是最重要的元激發之一.1951年Pines和Bohm[36]預測提出等離激元的概念,用于描述在固體當中由于庫侖相互作用產生的電荷密度集體振蕩的元激發.1957年,Ritchie[37]又將等離激元的概念延伸到表面和界面上,指出了表面等離激元的存在.自此之后,科學家對于等離激元性質的研究持續了60年之久并仍在發展壯大,由此逐漸衍生出等離子體光子學這一前沿領域及其他諸多交叉應用領域.對于任何可能的應用,最為重要的問題就是等離激元的壽命.在普通材料體系中,等離激元通常只能存在于很小的動量范圍,因為當它的色散進入電荷空穴連續區時,就會轉化為單粒子激發從而導致其壽命的急劇衰減[38,39].此外,一般材料中,雜質散射也是必然的另一種衰減通道.這種急劇衰減是幾乎所有等離激元的普遍特征,無論它是來自普通金屬中具有拋物線型色散的有質量電子[40],還是來自于石墨烯等材料中具有線性色散的無質量狄拉克電子[41].對于拓撲非平庸的狄拉克電子形成的等離激元又會是怎樣的呢?一個典型的例子是在三維拓撲絕緣體的表面態上,由于動量和自旋的鎖定使得表面態電子免受任何非磁性雜質的背散射[42,43]從而擁有更長的壽命,那么它所形成的集體模式也會具有很長的壽命嗎?在拓撲絕緣體中關于等離激元的理論和實驗工作發展迅速[44?51],但尚無關于其長壽命方面的實驗觀測報道.

我們選取典型的三維拓撲絕緣體Bi2Se3,利用前述2D-HREELS譜儀詳細研究了三維拓撲絕緣體表面等離激元的色散和衰減特征[52],結果如圖8所示.研究發現,三維拓撲絕緣體Bi2Se3表面態產生一支反常的聲學支等離激元模式,其色散關系在一個很大的動量范圍(至少到第二布里淵區中心)呈現出幾乎線性的行為,并且不依賴于晶格的周期性;通過對磁性原子Mn摻雜的Bi2Se3的對比實驗,發現這支模式與狄拉克錐有同生同滅的特性,于是在實驗上指認出這支模式是來自狄拉克電子的聲學支等離激元;這支模式無論是在電荷空穴連續區內或外都呈現出弱衰減的特性,說明拓撲保護不僅僅可以出現在單電子層面,對于集體模式也是適用的;這支模式的能量色散比以往任何理論預測[44,45]的都要低,并且與一支表面聲子[53,54]的能量接近,暗示著它和聲子之間可能存在很強的相互作用[52].

圖8 Bi2Se3表面聲學等離激元測量結果示意圖(經過美國物理學會的授權,圖片摘自文獻[52]) (a)Mn摻雜Bi2Se3中聲學支聲子(AP模式)的2D-HREELS測量結果;(b)Bi2Se3中聲學支等離激元(α模式)的2D-HREELS測量結果;(c)Bi2Se3中α模式和Mn摻雜Bi2Se3中AP模式的色散關系,陰影部分表示電子-空穴連續區;(d),(e)分別為Bi2Se3中α模式的歸一化強度與線寬,體相等離激元(ζ模式)的結果用于對比表明其壽命與受拓撲保護的聲學支等離激元明顯不同Fig.8.(a)2D-HREEL mapping of the acoustic phonon(AP mode)of Mn-doped Bi2Se3;(b)2D-HREEL mapping of the acoustic plasmon(α mode)of Bi2Se3;(c)the dispersions of the acoustic plasmon(α mode)of Bi2Se3,and the acoustic phonon(AP mode)of Mn-doped Bi2Se3,and the shaded zones label the electron-hole pairing continuum of massless Dirac electrons and normal bulk conducting electrons;(d)the normalized intensity and(e)FWHM of the α mode of Bi2Se3with di ff erent incident energies.The normalized intensity and FWHM of the bulk plasmon(ζ mode)of Bi2Se3are also plotted for comparison.The fi gure was adapted from Ref.[52],copyright(2017)by the American Physical Society.

5 結 論

本文詳細介紹了能夠對電子能量、動量做二維成像探測分析的新型高分辨電子能量損失譜儀的設計思路、研制要點及性能指標,特別是重點描述了其在表面準粒子動量分辨測量方面所具有的優勢.該譜儀在FeSe/SrTiO3界面超導體系的晶格動力學測量上取得了一系列重要的結果,特別是闡明了襯底聲子在界面超導增強中的關鍵作用.此外,利用該譜儀還發現了拓撲絕緣體表面受拓撲保護的聲學支等離激元,將拓撲保護的概念推廣到了集體激發準粒子中.充分發揮新型電子能量損失譜儀觀測表面元激發分辨率高、動態范圍大的優勢,將有力地推動凝聚態物理問題研究的深入和發展.

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