潘曉晴，加州大學(xué)爾灣分校Henry Samueli講座教授，材料科學(xué)與工程系教授、物理與天文學(xué)系教授，Irvine材料研究所（IMRI）主任，復(fù)雜和活性材料中心（CCAM）主任。
潘曉晴教授長(zhǎng)期致力于原子尺度的精細(xì)結(jié)構(gòu)以及與物性之間關(guān)系的研究。他開(kāi)創(chuàng)性地開(kāi)發(fā)了新型透射電子顯微鏡 (TEM) 方法來(lái)探測(cè)材料的原子級(jí)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和動(dòng)態(tài)行為。尤其是在氧化物電子學(xué)領(lǐng)域，他領(lǐng)導(dǎo)的研究小組是國(guó)際上處于領(lǐng)先地位的幾個(gè)研究小組之一。
潘曉晴教授團(tuán)隊(duì)的研究目標(biāo)是從根本上了解納米工程材料的原子級(jí)構(gòu)效關(guān)系，尤其是氧化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)、鐵電材料、納米催化劑和二維材料。近年來(lái)，團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)關(guān)注多功能材料的合成和原子級(jí)表征，在四維掃描透射電子顯微鏡 (4D STEM)和振動(dòng)電子能量損失譜 (EELS)的技術(shù)開(kāi)發(fā)方面取得了系列重要進(jìn)展。
潘曉晴教授在國(guó)際高影響力學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文400余篇，包括Nature, Science, Nature 子刊, Science Advances, Advanced Materials, PNAS, Journal of theAmerican Chemical Society, Physical Review Letters等。
2022年3月2日，作為共同通訊和南京大學(xué)南京大學(xué)聶越峰教授、吳迪教授等人合作，將鈣鈦礦氧化物鐵電/介電自支撐雙層結(jié)構(gòu)與硅基片進(jìn)行集成，獲得了高密度的鐵電拓?fù)浼{米疇（～200 Gbit/inch2），并實(shí)現(xiàn)其阻態(tài)在外電場(chǎng)下的可逆調(diào)控。高密度、可擦寫(xiě)鐵電拓?fù)浼{米疇與硅基片的成功集成展示了新奇氧化物極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在新型高密度非易失性存儲(chǔ)器中的廣闊應(yīng)用前景。
2024年10月30日，作為唯一通訊作者再次登上Nature，報(bào)道了采用動(dòng)量選擇性高分辨電子能量損失譜（EELS）技術(shù)，成功解析了FeSe/STO界面處的聲子模式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，這是2019年以來(lái)，潘老師作為通訊作者發(fā)表的第六篇Nature論文。下面，我們對(duì)這項(xiàng)研究作簡(jiǎn)要介紹。
研究背景
鐵硒（FeSe）作為一種新型超導(dǎo)材料，因其在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc）方面的優(yōu)異表現(xiàn)而備受關(guān)注，尤其是在與鈣鈦礦氧化物SrTiO3（STO）基底結(jié)合時(shí)。與傳統(tǒng)的超導(dǎo)材料相比，1個(gè)單位層（uc）FeSe/STO界面顯示出顯著更高的Tc，這使得其在量子計(jì)算、能源存儲(chǔ)和傳感器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，盡管對(duì)其電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量研究，F(xiàn)eSe/STO界面處的微觀耦合機(jī)制仍然不明確，因此理解其超導(dǎo)性質(zhì)和改進(jìn)Tc的策略面臨挑戰(zhàn)。近日，美國(guó)加州大學(xué)爾灣分校潘曉晴團(tuán)隊(duì)在“Nature”期刊上發(fā)表了題為“Phonon modes and electron–phonon coupling at the FeSe/SrTiO3 interface”的最新論文。該團(tuán)隊(duì)采用動(dòng)量選擇性高分辨電子能量損失譜（EELS）技術(shù)，成功解析了FeSe/STO界面處的聲子模式。他們發(fā)現(xiàn)，在75–99meV的能量范圍內(nèi)，存在新的光學(xué)聲子模式，這些模式與電子強(qiáng)耦合，主要源于TiOx層和STO中的頂層氧原子的垂直振動(dòng)。研究表明，EPC的強(qiáng)度與FeSe與TiOx終止的STO之間的層間距密切相關(guān)。 通過(guò)這項(xiàng)研究，團(tuán)隊(duì)顯著提高了對(duì)FeSe/STO界面微觀機(jī)制的理解，揭示了氧光學(xué)聲子在增強(qiáng)超導(dǎo)性能中的重要作用。這一發(fā)現(xiàn)不僅為實(shí)現(xiàn)FeSe/STO材料的Tc增強(qiáng)提供了新的思路，也為其他超導(dǎo)體系的研究指明了方向。該研究為后續(xù)的材料設(shè)計(jì)與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，展現(xiàn)了FeSe/STO材料在超導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域的巨大潛力。
研究亮點(diǎn)
（1）實(shí)驗(yàn)首次利用動(dòng)量選擇性高分辨電子能量損失譜（EELS）對(duì)1個(gè)單位層（1?uc）FeSe/STO界面的聲子進(jìn)行了原子尺度的成像，揭示了在75–99meV能量范圍內(nèi)存在新的光學(xué)聲子模式，這些聲子模式與電子強(qiáng)耦合。（2）實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)TiOx層和STO基底中氧原子的垂直振動(dòng)進(jìn)行成像，明確了這些聲子模式的特征，并表明它們?cè)陔娮?聲子耦合（EPC）中的重要作用。此外，研究發(fā)現(xiàn)1?uc FeSe/STO的EPC強(qiáng)度和超導(dǎo)能隙與FeSe與TiOx終止的STO之間的層間距密切相關(guān)，表明層間距是增強(qiáng)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc）的關(guān)鍵因素。（3）通過(guò)結(jié)合密度泛函理論（DFT）和頻率分辨的凍結(jié)聲子多層切片（FRFPMS）模擬，進(jìn)一步驗(yàn)證了聲子模式對(duì)EPC的貢獻(xiàn)。這些發(fā)現(xiàn)為理解FeSe/STO界面的微觀機(jī)制提供了新視角，揭示了界面EPC的微觀起源，并為在FeSe/STO及其他超導(dǎo)體系中實(shí)現(xiàn)更高Tc的策略提供了潛在的理論依據(jù)。
圖文解讀
圖1: 超導(dǎo)1μC FeSe/STO的界面結(jié)構(gòu)和振動(dòng)光譜。圖3: 電子-聲子耦合electron–phonon coupling，EPC的DFT計(jì)算。圖4: 層間距對(duì)聲子和超導(dǎo)電性的影響。
總結(jié)展望
本研究展示了通過(guò)解析原子尺度振動(dòng)特征的細(xì)微差別來(lái)理解復(fù)雜界面聲子模式的能力。通過(guò)選擇q轉(zhuǎn)移方向，作者捕獲了STO基底和界面雙TiOx層中氧原子的垂直振動(dòng)。雙TiOx層的存在促進(jìn)了Ti–O層1中氧的垂直振動(dòng)，從而為電子-聲子耦合（EPC）提供了額外的聲子模式。這些垂直振動(dòng)產(chǎn)生了對(duì)偶極矩，對(duì)于與電子的耦合至關(guān)重要。除了這里發(fā)現(xiàn)的高能和低能模式，Ti–O層0的其他結(jié)構(gòu)也可能顯示出更接近FeSe薄膜的垂直振動(dòng)。此外，作者發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)1?uc FeSe/STO樣品中存在兩種界面的共存，特征是不同的dFe-Ti。dFe-Ti與超導(dǎo)能隙（Δ）之間的相關(guān)性表明EPC是短程的，因?yàn)榇骴Fe-Ti與小dFe-Ti之間的變化相對(duì)較小，而與Fuchs–Kliewer聲子的空間范圍相比更為有限。這種dFe-Ti的變化可能解釋了報(bào)告中Tc的廣泛范圍和偽能隙行為。這些發(fā)現(xiàn)表明界面結(jié)構(gòu)與EPC之間存在密切關(guān)系，強(qiáng)調(diào)了界面均勻性對(duì)1uc FeSe/STO高Tc的重要性。 總之，作者的振動(dòng)光譜學(xué)結(jié)合q選擇性為1?uc FeSe/STO界面的原子振動(dòng)提供了詳細(xì)成像。作者識(shí)別出來(lái)自雙TiOx層和STO頂層氧的垂直氧振動(dòng)的強(qiáng)EPC貢獻(xiàn)。觀察到的層間距變化與超導(dǎo)能隙相關(guān)，表明層間距在影響EPC強(qiáng)度和超導(dǎo)性方面的關(guān)鍵作用。這些發(fā)現(xiàn)為這一獨(dú)特界面上Tc的增強(qiáng)提供了微觀見(jiàn)解，并為發(fā)現(xiàn)界面效應(yīng)至關(guān)重要的新高Tc超導(dǎo)體提供了指導(dǎo)。Yang, H., Zhou, Y., Miao, G. et al. Phonon modes and electron–phonon coupling at the FeSe/SrTiO3 interface. Nature (2024).https://doi.org/10.1038/s41586-024-08118-0
