Epitaxial Growth of Thin Film Iron Chalcogenide FeSe on SrTiO3(100) and GaP(111)

Abstract

고온 초전도현상은 응집물질물리학에서 가장 중요한 연구분야 중 하나이다. 특히 철기반 고온 초전도체는 기존의 초전도체를 구성하고 있던 BCS 초전도체나 구리기반 초전도체와는 완전히 다른 페르미 레벨의 대칭성을 가지고 있기 때문에 그 초전도 현상의 메커니즘을 설명하기 위한 새로운 물리학을 필요로 하고 있다. 그 중에서도 철 칼코겐 화합물인 FeSe는 상대적으로 간단한 구조를 가지면서 매우 높은 초전도 상전이 온도를 가질 수 있는 물질로 연구 가치가 높다. 이 논문은 이러한 FeSe의 SrTiO3(100)과 GaP(111) 기판 위에서의 얇은 박막 형태의 성장을 다루고 있다. 이 실험에서 FeSe 시료는 Fe와 Se를 수정 진동자 계측기(QCM)로 조정한 분자선 에피택시(MBE)를 이용하여 기판 위에 성장되었다. 성장 중인 시료의 결정성은 저에너지 전자 회절(LEED)과 고에너지 반사 전자 회절(RHEED)을 통해 확인되었다. 여러 가지 조건에서 성장된 시료는 초고진공 챔버 내부에서 오염되지 않은 상태로 주사형 터널링 현미경(STM)과 주사형 터널링 분광법(STS)을 통해 액체질소와 액체헬륨의 저온에서 그 표면과 전자구조가 조사되었다. 조사된 시료는 SrTiO3(100) 기판 위에서 정방정계 구조와 GaP(111) 기판 위에서 육방결정계 구조를 나타내었다. 이러한 구조들의 다양한 원자적 수준의 표면 재구성 역시 확인되었다.

High-temperature superconductivity is one of the most important areas of research in condensed matter physics. In particular, iron-based high-temperature superconductors have a completely different Fermi level symmetry than BCS superconductors or copper-based superconductors, which have been used to form superconductors. Therefore, new physics is needed to explain the mechanism of this superconducting phenomenon. Among them, FeSe, which is an iron chalcogenide superconductor, is very valuable because it has a relatively simple structure and high superconducting transition temperature. This thesis deals with the thin film growth of these FeSe on SrTiO3(100) and GaP(111) substrates. In this experiment, FeSe samples were grown on substrates using molecular beam epitaxy (MBE), in which Fe and Se were calibrated with a quartz crystal microbalance (QCM). The crystallinity of the growing sample was confirmed by low energy electron diffraction (LEED) and high energy reflection electron diffraction (RHEED). The samples grown under various conditions were examined for their surface and electronic structure at low temperatures of liquid nitrogen and liquid helium through a scanning tunneling microscope (STM) and scanning tunneling spectroscopy (STS) without contamination inside the ultra-high vacuum chamber. The samples showed tetragonal structure on SrTiO3(100) substrate and hexagonal structure on GaP (111) substrate. Various surface reconstructions of these structures at atomic level were also confirmed.