清华薛其坤、李渭＆华科徐刚Nano letters：FeSe薄膜中向列畴界的边缘态

【引言】

FeSe是一种能够实现超导增强、拓扑非平庸边缘态及拓扑超导的新奇材料，载流子注入和晶格畸变是操纵其电子性质的两个主要因素。在低温下，铁基超导体中电子结构的旋转对称性被破坏，形成向列相，其在实验中表现为可观测的电子各向异性。对于大部分铁基超导体，载流子掺杂可抑制向列相，从而产生超导电性。在向列畴的交界处（畴界），由于互相垂直的向列畴的交叠，其向列性也被破坏。因此，畴界提供了一个研究电子特殊拓扑性质的全新平台。受限于样品制备和精密测量等方面，关于畴界上的向列性的抑制及拓扑电子态的研究尚未报道。

【成果简介】

近日，清华大学李渭、薛其坤和华中科技大学徐刚（共同通讯作者）等人利用分子束外延法（MBE）在STO衬底上生长出~20UC的FeSe薄膜，并使用STM研究了FeSe薄膜中畴界处的电子结构。研究人员在费米能级处观察到拓扑边缘态，其表现为：在畴界两侧空间上形成两个清晰的条状电子态。同时，在畴界的交点处可进一步观察到钉扎在费米能级的束缚态。密度泛函理论计算理论分析很好地解释了该边缘态的拓扑起源。该发现表明FeSe畴界极有可能是实现量子自旋霍尔态（QSH）的一种候选材料，同时也为在单组分材料中实现拓扑超导性提供了新的思路。相关成果以题为“Edge states at nematic domain walls in FeSe films”发表在Nano letters上。

【图文导读】

图一 FeSe畴界内向列性的抑制

（a）STO衬底上生长的~20UC FeSe薄膜的原子分辨STM形貌图，由于FeSe薄膜内具有很强的向列性使得Se原子沿着Se-Se晶格对角线方向被明显拉长
（b）孪晶畴中的被拉长的Se原子以及畴边界上未被拉长的Se原子

图二 ~20 UC FeSe/STO的向列性畴界

（a，b）向列畴界的电子态密度空间分布图。在-50 meV和70 meV处畴界具有相反的对比度，橙色箭头表示几个畴界的交叉点
（c）FeSe薄膜的STM形貌图像。如图中橙色虚线所示，交叉点均有四个畴界穿过

图三 ~20 UC FeSe/STO畴界的边缘态以及电子结构

（a）畴界的三维STM形貌图
（b、c）沿着（a）中的虚线给出空间分辨的大能量范围的dI/dV谱，可以看到，特征峰在畴界区域向上移动了~35 meV
（d、e）沿着（a）中的虚线给出空间分辨的小能量范围的dI/dV谱，其中，在0 meV和-10 meV出现两个清晰的峰
（f、g）分别为-10 meV和0 meV处的电子态密度的空间分布。扫描区域和（a）一致。（g）展示了清晰的边缘态

图四 畴界交叉点的束缚态

（a、b）图1c中交叉点电子态密度分布图。交叉点处的束缚态在（a）中清晰可见（白色箭头）
（c）交点处的dI/dV谱

图五 奇偶FeSe层的能带结构和拓扑边缘态

（a、b）分别表示单层和双层FeSe的计算带结构，红色菱形表示Fe原子的d_yz/d_xz轨道的能带投影图，蓝色圈表示d_z²轨道
（c、d）分别表示单层和双层FeSe沿着（110）方向的拓扑边缘态。在实验中，奇数和偶数薄膜中均观测到了清晰的拓扑边缘态，但其拓扑起源是不同的。其中，奇数层的拓扑性受时间反演和反铁磁基态保护，而偶数层的拓扑性受滑移镜面对称性保护

【小结】

FeSe中拓扑边缘态的发现，为未来低功耗电子器件的开发提供了新的候选体系。另外，边缘态和束缚态的特征能量均位于费米能级处，说明该体系的化学势正好位于反转能隙的中心。因此，在超导FeSe薄膜中引入畴界为实现拓扑超导提供了新的思路，其优点为可避免引入掺杂、异质结结构等复杂性，在单组份材料中实现拓扑超导。

文献连接：Edge states at nematic domain walls in FeSe films（Nano letters, 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b03282）

本文由材料人编辑部计算材料组杜成江编译供稿，材料牛整理编辑。

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