2012年，清华大学物理系薛其坤研究组和海洋之神8590vip物理研究所表面实验室马旭村研究组合作，开创性地在钛酸锶（SrTiO₃）衬底上制备出FeSe薄膜，并报道了在单层FeSe/SrTiO₃薄膜中可能存在临界温度接近甚至超过液氮温区（77K）的超导电性【Chin. Phys. Lett. 29 (2012) 037402】。紧接着，海洋之神8590vip物理研究所／北京凝聚态物理国家实验室(筹)超导国家重点实验室周兴江研究组与薛其坤研究组/马旭村研究组合作，通过角分辨光电子能谱研究，发现单层FeSe/SrTiO₃超导薄膜表现出简单、独特的电子结构，并具有近各向同性没有节点的超导能隙【Nature Communications 3 (2012) 931】。进一步的光电子能谱研究发现，在单层FeSe/SrTiO₃薄膜中可以存在电子结构显著不同的两种相（N相和S相）。通过真空退火的手段改变载流子浓度，成功构建了单层FeSe/SrTiO₃的电子结构和超导电性随载流子浓度演变的电子相图，观察到了单层FeSe薄膜中存在转变温度高达65K的超导迹象【Nature Materials 12 （2013）605】。由于其最简单的晶体结构、最简单的电子结构以及可能的高临界超导温度，FeSe/SrTiO₃薄膜已成为目前铁基超导领域研究的热点。

　　薛其坤研究组/马旭村研究组在对FeSe/SrTiO₃薄膜的扫描隧道谱（STS）研究中还发现：对于同一块FeSe薄膜样品，单层FeSe薄膜区域已经进入超导态，而双层FeSe薄膜区域却表现出绝缘（或者半导体）的行为【Chin. Phys. Lett. 29 (2012) 037402】。一个FeSe层之差能导致单层FeSe和双层FeSe薄膜在电学性质上出现如此巨大的差异，这一结果是很令人意外的。那么，单层FeSe薄膜和双层FeSe薄膜究竟为什么会表现得如此不同？对这一问题的研究，对于理解FeSe薄膜的掺杂机理以及超导起源有着重要意义。

　　周兴江研究组的刘旭、刘德发、何俊峰、赵林和何少龙等人与薛其坤研究组/马旭村研究组的张文浩、李坊森等人合作，利用角分辨光电子能谱，对单层和双层FeSe/SrTiO₃薄膜的电子结构随真空退火的演变进行了详细的比较研究。结果表明，在相同的退火条件下，当单层FeSe薄膜由起始的N相完全转变为S相并进入超导态时，双层FeSe薄膜仍然处于绝缘的N相（图1）。这一结果与之前的扫描隧道谱观察到的结果一致。接着，他们对双层FeSe薄膜进一步进行系统的真空退火测量，以研究双层FeSe薄膜是否像单层FeSe薄膜一样，可以经历从N相到S相的转变并产生超导。结果表明，一方面，双层FeSe薄膜在经过长时间的真空退火后，表现出从起始的N相向S相转变的迹象（图2）。但另一方面，双层FeSe薄膜通过真空退火实现从N相到S相的转变远远比单层FeSe薄膜困难。

　　这项工作首先对FeSe/SrTiO₃薄膜中电子掺杂的起源提供了重要信息，表明在真空退火过程中，衬底SrTiO₃表面氧空位的形成所产生的电子电荷转移，对FeSe薄膜电子掺杂和超导电性产生起主导作用。其次，基于该载流子产生机制，可以理解单层和双层FeSe/SrTiO₃薄膜电子结构和电学性质显著不同的根源。在相同的真空处理条件下，由SrTiO₃表面产生的载流子（电子）总量相同。对单层FeSe薄膜而言，所有的电子都可以转移给这一个FeSe层，但对双层FeSe薄膜，同样的载流子则要在两个FeSe层之间分配，从而导致对其中单个FeSe层掺杂效率显著降低，从而难以实现从N相到S相的转变和超导电性的产生。这项工作也对采取其它合适的手段来掺杂双层或多层FeSe/SrTiO₃薄膜，探索更高超导转变温度提供了重要的启示。

　　该研究结果发表在近期的《自然-通讯》杂志上【Nature Communications 5, 5049 (2014)】。

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图1. 在相同条件下，单层FeSe薄膜（a-d）双层FeSe薄膜（e-h）费米面和能带结构的对比。

图2. 双层FeSe薄膜在固定退火温度350℃不断延长退火时间的条件下，费米面和能带结构随退火时间的演变。

　　图3. 退火初期单层FeSe薄膜(c,d)和双层FeSe薄膜(e,f)的费米面和能带结构随温度的演变，以及与BaFe₂As₂结果(g,h)的比较。