薄層FeSe應(yīng)力調(diào)控：原理、方法與應(yīng)用前景

一、引言1.1研究背景與意義超導(dǎo)材料，作為現(xiàn)代科技領(lǐng)域中的關(guān)鍵材料，自1911年荷蘭物理學(xué)家卡末林昂尼斯發(fā)現(xiàn)汞在4.2K以下電阻突然降為零的超導(dǎo)現(xiàn)象以來，便引發(fā)了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。超導(dǎo)體在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下不僅呈現(xiàn)出零電阻特性，還具有邁斯納效應(yīng)，即磁通線全部從超導(dǎo)體內(nèi)排出，使得超導(dǎo)體內(nèi)的磁化強度為零。這些獨特性質(zhì)使超導(dǎo)材料在能源、電子、醫(yī)療、交通等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在能源領(lǐng)域，超導(dǎo)材料的零電阻特性可大幅降低電力傳輸過程中的能量損耗。據(jù)統(tǒng)計，傳統(tǒng)電力傳輸因電阻存在會導(dǎo)致大量能量損失，而采用超導(dǎo)輸電線路能將輸電損耗降低至接近于零，對于實現(xiàn)長距離、大容量的電力傳輸意義重大，有望解決能源供給不平衡的問題。在醫(yī)療領(lǐng)域，基于超導(dǎo)技術(shù)開發(fā)的超導(dǎo)磁共振成像（MRI）設(shè)備，利用超導(dǎo)磁體提供的強大、均勻磁場，能夠獲得更清晰、準(zhǔn)確的人體內(nèi)部圖像，為疾病的診斷和治療提供有力支持。在交通領(lǐng)域，超導(dǎo)磁懸浮列車利用超導(dǎo)材料產(chǎn)生的強大磁場實現(xiàn)高速、平穩(wěn)的懸浮運行，與傳統(tǒng)列車相比，具有速度大幅提升、運行噪音和振動顯著降低等優(yōu)勢，為人們帶來更高效、舒適的出行體驗。此外，在科學(xué)研究領(lǐng)域，超導(dǎo)磁體在粒子加速器、核聚變等研究中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，助力科學(xué)家探索微觀世界奧秘和解決能源問題。在眾多超導(dǎo)材料中，薄層FeSe材料因其獨特的物理性質(zhì)和潛在應(yīng)用價值，成為凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的研究熱點。2012年，薛其坤研究團隊利用分子束外延手段，在SrTiO?（STO）襯底上成功制備出單層的FeSe薄膜，并觀察到超導(dǎo)的顯著增強現(xiàn)象。掃描隧道譜得到的超導(dǎo)能隙為20.1meV，遠高于單晶FeSe的2.2meV；抗磁性測量顯示該體系的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在45-85K，角分辨光電子能譜結(jié)果顯示超導(dǎo)能隙閉合溫度在65K以上，這一數(shù)值不僅是單晶FeSe超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（8.5K）的數(shù)倍，還超出所有已知鐵基超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度。這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了科研人員對FeSe薄膜超導(dǎo)機制及性能優(yōu)化的深入研究。應(yīng)力作為一種重要的外部調(diào)控手段，對薄層FeSe材料的性能優(yōu)化起著關(guān)鍵作用。在低維體系中，維度的降低使得材料對載流子濃度、介電環(huán)境、壓強、應(yīng)力、電場、磁場等因素非常敏感。通過施加應(yīng)力，可以改變材料的晶格結(jié)構(gòu)和電子態(tài)，進而調(diào)控其超導(dǎo)性能。例如，應(yīng)力可以改變FeSe薄膜中原子間的距離和鍵角，影響電子的巡游特性和電子-聲子相互作用，從而對超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度、超導(dǎo)能隙等關(guān)鍵參數(shù)產(chǎn)生影響。深入研究應(yīng)力調(diào)控下薄層FeSe材料的性能變化規(guī)律，不僅有助于揭示其超導(dǎo)機制，還能為開發(fā)高性能的超導(dǎo)器件提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。目前，關(guān)于應(yīng)力調(diào)控薄層FeSe材料的研究仍存在諸多問題和挑戰(zhàn)。例如，不同應(yīng)力施加方式對材料性能的影響機制尚不完全清楚，應(yīng)力與其他調(diào)控因素（如電荷摻雜、界面電聲耦合等）之間的協(xié)同作用也有待深入研究。此外，如何精確控制應(yīng)力的大小和方向，實現(xiàn)對材料性能的精準(zhǔn)調(diào)控，也是當(dāng)前研究面臨的重要課題。因此，開展薄層FeSe的應(yīng)力調(diào)控研究具有重要的科學(xué)意義和實際應(yīng)用價值，有望為超導(dǎo)材料的發(fā)展和應(yīng)用開辟新的道路。1.2薄層FeSe材料概述薄層FeSe材料屬于鐵基超導(dǎo)家族，其晶體結(jié)構(gòu)具有典型的層狀特征。在FeSe的晶體結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)e原子和Se原子交替排列形成二維的FeSe層，這些層沿著c軸方向堆疊，層間通過較弱的范德華力相互作用。每一層FeSe中，F(xiàn)e原子構(gòu)成了平面四方晶格，Se原子位于Fe原子平面的上下兩側(cè)，形成類似于蜂巢狀的結(jié)構(gòu)，這種獨特的原子排列方式賦予了FeSe材料許多特殊的物理性質(zhì)。從電子結(jié)構(gòu)角度來看，F(xiàn)eSe材料中的電子具有較強的關(guān)聯(lián)性，其電子態(tài)涉及到Fe原子的3d軌道和Se原子的4p軌道的相互作用。在費米面附近，存在多個電子口袋和空穴口袋，這些口袋之間的電子散射過程對材料的電學(xué)、磁學(xué)以及超導(dǎo)性質(zhì)有著重要影響。例如，電子口袋和空穴口袋之間的散射可以導(dǎo)致電子的配對，從而形成超導(dǎo)態(tài)。在超導(dǎo)特性方面，薄層FeSe展現(xiàn)出與塊體材料不同的優(yōu)異性能。塊體FeSe的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度相對較低，約為8.5K。然而，當(dāng)FeSe制備成薄層，尤其是在與特定襯底（如SrTiO?）結(jié)合形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)時，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可顯著提高。如前文所述，在SrTiO?襯底上的單層FeSe薄膜，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可達到45-85K，超導(dǎo)能隙也大幅增加，掃描隧道譜得到的超導(dǎo)能隙為20.1meV，遠高于單晶FeSe的2.2meV。這種超導(dǎo)性能的顯著增強，使得薄層FeSe在超導(dǎo)領(lǐng)域占據(jù)了獨特的地位，成為研究高溫超導(dǎo)機制和探索新型超導(dǎo)材料的重要體系。此外，薄層FeSe還表現(xiàn)出一些與維度相關(guān)的特性。由于維度的降低，表面和界面效應(yīng)變得更加顯著，材料對外部環(huán)境的變化更加敏感。例如，表面的原子排列和電子態(tài)與內(nèi)部存在差異，這可能導(dǎo)致表面出現(xiàn)獨特的物理現(xiàn)象，如表面態(tài)的形成和表面超導(dǎo)特性的變化。同時，界面處的原子相互作用和電荷轉(zhuǎn)移也會對材料的整體性能產(chǎn)生重要影響，在FeSe/SrTiO?異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，界面處的電聲耦合和電荷摻雜被認為是導(dǎo)致超導(dǎo)增強的重要因素。這些特性使得薄層FeSe不僅在超導(dǎo)領(lǐng)域具有重要的研究價值，也為探索低維材料的新奇物性提供了理想的研究對象。1.3研究目的與內(nèi)容本文旨在深入且全面地探討薄層FeSe的應(yīng)力調(diào)控相關(guān)問題，通過系統(tǒng)研究，揭示應(yīng)力調(diào)控對薄層FeSe材料性能的影響機制，為優(yōu)化其超導(dǎo)性能及拓展應(yīng)用提供堅實的理論基礎(chǔ)和實驗依據(jù)。在研究內(nèi)容方面，首先將深入研究薄層FeSe的應(yīng)力調(diào)控方法。詳細分析不同的應(yīng)力施加方式，如通過襯底晶格失配產(chǎn)生的外延應(yīng)力、利用機械加載裝置施加的外部機械應(yīng)力，以及通過溫度變化誘導(dǎo)的熱應(yīng)力等。研究這些應(yīng)力施加方式的原理、特點和適用范圍，對比不同方法在實現(xiàn)應(yīng)力調(diào)控方面的優(yōu)勢與局限性。同時，探究如何精確控制應(yīng)力的大小和方向，以實現(xiàn)對薄層FeSe材料性能的精準(zhǔn)調(diào)控。例如，在利用襯底晶格失配施加外延應(yīng)力時，研究如何通過選擇不同晶格常數(shù)的襯底或調(diào)整薄膜與襯底的界面結(jié)構(gòu)，來精確控制外延應(yīng)力的大小和方向。其次，全面分析影響應(yīng)力調(diào)控效果的因素。從材料自身特性出發(fā)，研究FeSe薄膜的厚度、晶體質(zhì)量、缺陷密度等因素對應(yīng)力響應(yīng)的影響。理論分析表明，較薄的FeSe薄膜可能對應(yīng)力更為敏感，因為其表面和界面效應(yīng)更為顯著，而晶體質(zhì)量和缺陷密度則會影響電子的散射過程，進而影響應(yīng)力對超導(dǎo)性能的調(diào)控效果。同時，考慮外部環(huán)境因素，如溫度、磁場等對應(yīng)力調(diào)控的影響。實驗研究發(fā)現(xiàn)，溫度的變化會改變材料的熱膨脹系數(shù)，從而影響熱應(yīng)力的大小，而磁場則可能與應(yīng)力相互作用，共同影響材料的電子態(tài)和超導(dǎo)性能。再者，深入探討應(yīng)力調(diào)控對薄層FeSe性能的影響。重點研究應(yīng)力對超導(dǎo)性能的影響，包括超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度、超導(dǎo)能隙、臨界電流密度等關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律。通過實驗測量和理論計算，揭示應(yīng)力影響超導(dǎo)性能的微觀機制，如應(yīng)力導(dǎo)致的晶格結(jié)構(gòu)變化如何影響電子-聲子相互作用、電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)以及費米面附近的電子態(tài)分布，從而改變超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和超導(dǎo)能隙。同時，研究應(yīng)力對材料其他物理性能，如電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)性能的影響，分析這些性能變化與超導(dǎo)性能之間的關(guān)聯(lián)。例如，應(yīng)力可能改變材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率，進而影響其在電磁應(yīng)用中的性能。最后，探索應(yīng)力調(diào)控下薄層FeSe材料的應(yīng)用前景?；趹?yīng)力調(diào)控對材料性能的優(yōu)化，探討其在超導(dǎo)電子器件、超導(dǎo)磁體、量子比特等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。例如，在超導(dǎo)電子器件中，利用應(yīng)力調(diào)控實現(xiàn)對超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)臨界電流的精確控制，有望提高超導(dǎo)電子器件的性能和穩(wěn)定性；在超導(dǎo)磁體領(lǐng)域，通過應(yīng)力調(diào)控增強材料的臨界電流密度，可制備出更高磁場強度和更高效率的超導(dǎo)磁體；在量子比特應(yīng)用中，應(yīng)力調(diào)控可改善材料的量子特性，提高量子比特的相干時間和操控精度。分析應(yīng)用過程中可能面臨的問題和挑戰(zhàn)，并提出相應(yīng)的解決方案，為實現(xiàn)應(yīng)力調(diào)控下薄層FeSe材料的實際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。二、薄層FeSe應(yīng)力調(diào)控的基本原理2.1應(yīng)力與材料性能的關(guān)系2.1.1應(yīng)力對晶體結(jié)構(gòu)的影響應(yīng)力作為一種外部作用，能夠顯著改變薄層FeSe的晶體結(jié)構(gòu)，其作用機制主要體現(xiàn)在對晶格參數(shù)和原子間距的調(diào)控上。當(dāng)對薄層FeSe施加應(yīng)力時，晶格中的原子會受到額外的作用力，從而導(dǎo)致原子的相對位置發(fā)生改變。在面內(nèi)雙軸應(yīng)力的作用下，晶格常數(shù)a和b會發(fā)生相應(yīng)的變化。當(dāng)施加拉伸應(yīng)力時，原子間的距離增大，晶格常數(shù)a和b會隨之增加；而施加壓縮應(yīng)力時，原子被擠壓靠近，晶格常數(shù)a和b則減小。這種晶格常數(shù)的變化并非孤立發(fā)生，它會進一步引發(fā)晶體結(jié)構(gòu)的對稱性變化。對于原本具有四方對稱性的FeSe晶體結(jié)構(gòu)，在特定方向的應(yīng)力作用下，可能會發(fā)生晶格畸變，導(dǎo)致對稱性降低，如轉(zhuǎn)變?yōu)檎粚ΨQ性。這種對稱性的改變會對材料的物理性質(zhì)產(chǎn)生深遠影響，因為晶體的對稱性與許多物理性質(zhì)，如電學(xué)、磁學(xué)性質(zhì)等密切相關(guān)。原子間距的變化同樣對晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有著重要影響。FeSe晶體中，F(xiàn)e-Se鍵的鍵長在應(yīng)力作用下會發(fā)生改變。拉伸應(yīng)力會使Fe-Se鍵伸長，鍵能降低，從而削弱晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；而壓縮應(yīng)力則使Fe-Se鍵縮短，鍵能增加，在一定程度上增強晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。然而，當(dāng)壓縮應(yīng)力過大時，可能會導(dǎo)致原子間的電子云重疊過大，產(chǎn)生排斥力，反而破壞晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。研究表明，在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)，F(xiàn)e-Se鍵長的變化與超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度之間存在著密切的關(guān)聯(lián)。當(dāng)Fe-Se鍵長發(fā)生變化時，電子的巡游特性和電子-聲子相互作用也會隨之改變，進而影響超導(dǎo)性能。此外，應(yīng)力還可能導(dǎo)致晶體中的位錯、缺陷等微觀結(jié)構(gòu)的變化。在應(yīng)力作用下，晶體內(nèi)部可能會產(chǎn)生位錯滑移和攀移，這些位錯的運動和交互作用會改變晶體的微觀結(jié)構(gòu)，進而影響材料的性能。例如，位錯的存在可能會增加電子的散射概率，從而影響材料的電學(xué)性能。同時，應(yīng)力誘導(dǎo)的缺陷也可能成為電子的陷阱或散射中心，對材料的電子輸運和超導(dǎo)性能產(chǎn)生不利影響。為了更直觀地理解應(yīng)力對晶體結(jié)構(gòu)的影響，可通過高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）等實驗技術(shù)進行觀察。HRTEM能夠提供原子級別的結(jié)構(gòu)信息，清晰地顯示出應(yīng)力作用下晶格的畸變和原子位置的變化。通過對不同應(yīng)力條件下的FeSe薄膜進行HRTEM分析，可以直接觀察到晶格常數(shù)的變化、原子間距的調(diào)整以及晶體結(jié)構(gòu)的對稱性轉(zhuǎn)變。同時，結(jié)合理論計算，如密度泛函理論（DFT）計算，能夠深入探討應(yīng)力作用下晶體結(jié)構(gòu)變化的微觀機制，為理解應(yīng)力對材料性能的影響提供更堅實的理論基礎(chǔ)。2.1.2應(yīng)力對電子結(jié)構(gòu)的影響應(yīng)力對薄層FeSe電子結(jié)構(gòu)的影響是多方面的，主要體現(xiàn)在電子態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)的變化上，這些變化又進一步對電子輸運性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。從電子態(tài)密度的角度來看，應(yīng)力會改變FeSe中原子的電子云分布，進而影響電子態(tài)密度的分布。在拉伸應(yīng)力作用下，原子間距增大，電子云的重疊程度減小，導(dǎo)致費米能級附近的電子態(tài)密度發(fā)生變化。對于FeSe材料，其費米能級附近的電子態(tài)主要由Fe原子的3d軌道和Se原子的4p軌道貢獻。當(dāng)施加拉伸應(yīng)力時，F(xiàn)e-Se鍵長增加，F(xiàn)e原子3d軌道和Se原子4p軌道之間的相互作用減弱，使得費米能級附近的電子態(tài)密度降低。相反，壓縮應(yīng)力使原子間距減小，電子云重疊程度增大，費米能級附近的電子態(tài)密度增加。這種電子態(tài)密度的變化對材料的電學(xué)和超導(dǎo)性能有著重要影響。例如，在超導(dǎo)材料中，電子態(tài)密度與超導(dǎo)能隙密切相關(guān)，電子態(tài)密度的改變會導(dǎo)致超導(dǎo)能隙的變化，從而影響超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。應(yīng)力對能帶結(jié)構(gòu)的影響也十分顯著。應(yīng)力會使晶體的晶格發(fā)生畸變，進而改變晶體的周期性勢場，導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)的變化。在應(yīng)力作用下，能帶的寬度、位置和形狀都會發(fā)生改變。對于薄層FeSe，面內(nèi)雙軸應(yīng)力會導(dǎo)致能帶的展寬或收縮。拉伸應(yīng)力使晶格常數(shù)增大，晶體的周期性勢場減弱，能帶展寬，能帶中的能級間距減??；壓縮應(yīng)力則使晶格常數(shù)減小，周期性勢場增強，能帶收縮，能級間距增大。這種能帶結(jié)構(gòu)的變化會影響電子的能量分布和運動狀態(tài)。例如，能帶的展寬或收縮會改變電子的有效質(zhì)量，進而影響電子的遷移率。同時，能帶結(jié)構(gòu)的變化還可能導(dǎo)致能帶的交叉和簡并度的改變，這些變化對電子的輸運性質(zhì)和超導(dǎo)性能有著重要影響。在電子輸運性質(zhì)方面，應(yīng)力誘導(dǎo)的電子結(jié)構(gòu)變化會直接影響電子的散射過程和遷移率。電子在晶體中運動時，會與晶格振動、雜質(zhì)、缺陷等發(fā)生散射。應(yīng)力改變了晶體的結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，使得電子的散射概率發(fā)生變化。例如，應(yīng)力導(dǎo)致的晶格畸變和缺陷增加會使電子的散射概率增大，從而降低電子的遷移率，增加材料的電阻。相反，適當(dāng)?shù)膽?yīng)力調(diào)控如果能夠優(yōu)化晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，減少電子的散射中心，就可以提高電子的遷移率，降低電阻。在超導(dǎo)態(tài)下，電子的配對和超導(dǎo)電流的傳輸也與電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。應(yīng)力對電子結(jié)構(gòu)的影響會改變電子-聲子相互作用和電子-電子相互作用，進而影響超導(dǎo)電流的傳輸和超導(dǎo)性能。為了深入研究應(yīng)力對電子結(jié)構(gòu)和電子輸運性質(zhì)的影響，通常采用角分辨光電子能譜（ARPES）、掃描隧道顯微鏡（STM）等實驗技術(shù)以及第一性原理計算方法。ARPES能夠直接測量材料的電子能帶結(jié)構(gòu)和電子態(tài)密度，通過對不同應(yīng)力條件下的FeSe薄膜進行ARPES測量，可以獲得應(yīng)力作用下電子結(jié)構(gòu)的變化信息。STM則可以在原子尺度上研究材料的表面電子結(jié)構(gòu)和電子態(tài)密度分布，為理解應(yīng)力對表面電子結(jié)構(gòu)的影響提供重要依據(jù)。第一性原理計算能夠從理論上精確計算應(yīng)力作用下材料的電子結(jié)構(gòu)和電子輸運性質(zhì)，與實驗結(jié)果相互印證，深入揭示應(yīng)力對電子結(jié)構(gòu)和電子輸運性質(zhì)的影響機制。2.2超導(dǎo)特性與應(yīng)力的關(guān)聯(lián)2.2.1超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與應(yīng)力的關(guān)系超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度是衡量超導(dǎo)材料性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，應(yīng)力對薄層FeSe超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的影響是一個復(fù)雜而又關(guān)鍵的研究領(lǐng)域。大量實驗研究表明，應(yīng)力與超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度之間存在著緊密的聯(lián)系，且這種聯(lián)系受到多種因素的綜合影響。在早期的研究中，通過對FeSe薄膜施加不同類型的應(yīng)力，如靜水壓力、外延應(yīng)力等，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度會隨著應(yīng)力的變化而顯著改變。當(dāng)對FeSe薄膜施加靜水壓力時，在一定壓力范圍內(nèi)，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度會呈現(xiàn)出上升的趨勢。研究表明，在小于9GPa的靜水壓力下，F(xiàn)eSe的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc）隨著壓力的增加而增加。這是因為壓力會改變FeSe的晶體結(jié)構(gòu)，使得Se原子的Wyckoff位置zSe增加，同時晶格常數(shù)減小。這些結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致電聲耦合增強，從而促進了電子的配對，提高了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。具體來說，Se原子位置的變化和晶格常數(shù)的減小，改變了電子云的分布和原子間的相互作用，使得電子-聲子相互作用增強，有利于形成庫珀對，進而提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。然而，當(dāng)壓力超過一定閾值時，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可能會出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。這可能是由于過高的壓力導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了過度的畸變，破壞了電子-聲子相互作用的平衡，或者引入了過多的缺陷，增加了電子的散射，從而削弱了超導(dǎo)性能。對于外延應(yīng)力，其對超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的影響與襯底和薄膜之間的晶格失配程度密切相關(guān)。當(dāng)在晶格常數(shù)不同的襯底上生長FeSe薄膜時，由于晶格失配，薄膜內(nèi)部會產(chǎn)生外延應(yīng)力。如果襯底的晶格常數(shù)大于FeSe薄膜的晶格常數(shù)，薄膜會受到拉伸應(yīng)力；反之，則受到壓縮應(yīng)力。實驗發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)睦鞈?yīng)力或壓縮應(yīng)力可以優(yōu)化FeSe薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，增強電子-聲子相互作用，從而提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。例如，在某些特定的襯底上，通過精確控制外延應(yīng)力，使得FeSe薄膜的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度得到了顯著提升。但如果應(yīng)力過大，會導(dǎo)致薄膜中的缺陷增多，晶體質(zhì)量下降，反而降低超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。從理論分析的角度來看，應(yīng)力對超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的影響可以通過BCS理論和相關(guān)的電子結(jié)構(gòu)理論進行解釋。在BCS理論中，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與電子-聲子耦合強度、費米能級附近的態(tài)密度等因素密切相關(guān)。應(yīng)力通過改變晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，影響了這些因素，進而改變了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。當(dāng)應(yīng)力導(dǎo)致電子-聲子耦合增強，費米能級附近的態(tài)密度增加時，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度會升高；反之，當(dāng)應(yīng)力削弱了電子-聲子耦合，降低了費米能級附近的態(tài)密度時，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度會降低。此外，第一性原理計算也為深入理解應(yīng)力對超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的影響機制提供了有力的工具。通過第一性原理計算，可以精確地模擬應(yīng)力作用下FeSe薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和聲子譜的變化，從而定量地分析電子-聲子耦合強度、費米能級附近的態(tài)密度等因素的變化，進而揭示應(yīng)力對超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的影響機制。計算結(jié)果表明，在不同類型和大小的應(yīng)力作用下，F(xiàn)eSe薄膜的電子結(jié)構(gòu)和聲子譜會發(fā)生復(fù)雜的變化，這些變化與超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的變化之間存在著明確的對應(yīng)關(guān)系。例如，計算發(fā)現(xiàn)，在某些應(yīng)力條件下，F(xiàn)eSe薄膜中特定的電子軌道相互作用增強，導(dǎo)致電子-聲子耦合增強，進而提高了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。2.2.2超導(dǎo)能隙與應(yīng)力的關(guān)系超導(dǎo)能隙是超導(dǎo)材料的另一個重要特性，它反映了超導(dǎo)態(tài)下電子配對的能量尺度。應(yīng)力對薄層FeSe超導(dǎo)能隙的大小和對稱性都有著顯著的影響，這種影響進一步揭示了應(yīng)力調(diào)控對超導(dǎo)態(tài)下電子配對機制的作用。在超導(dǎo)能隙大小方面，實驗研究表明，應(yīng)力可以顯著改變FeSe薄膜的超導(dǎo)能隙。在對LiFeAs表面兩類帶狀褶皺結(jié)構(gòu)的研究中發(fā)現(xiàn)，不同方向的局域單軸應(yīng)力對超導(dǎo)能隙有著不同的影響。第一類褶皺沿著[110]方向（即Fe-Fe方向），能增大超導(dǎo)能隙；而第二類褶皺沿著[100]方向（即Fe-As方向），則抑制超導(dǎo)能隙。這種現(xiàn)象的根源在于不同方向的應(yīng)力改變了能帶結(jié)構(gòu)。第一類褶皺使dxz能帶移動到費米面之上，增加了態(tài)密度，進而增強了超導(dǎo)電性，使得超導(dǎo)能隙增大；第二類褶皺使dyz和dxz都移動到費米面之下，只留下dxy穿過費米面，導(dǎo)致只能觀測到dxy的小能隙。這表明應(yīng)力通過改變能帶結(jié)構(gòu)，影響了參與超導(dǎo)配對的電子態(tài)，從而改變了超導(dǎo)能隙的大小。對于FeSe薄膜，外延應(yīng)力同樣會對超導(dǎo)能隙產(chǎn)生影響。當(dāng)薄膜受到拉伸或壓縮應(yīng)力時，晶格的畸變會導(dǎo)致電子結(jié)構(gòu)的變化，進而影響超導(dǎo)能隙。拉伸應(yīng)力可能使原子間距增大，電子云的重疊程度減小，改變了電子-電子相互作用和電子-聲子相互作用，從而影響超導(dǎo)能隙。在某些情況下，適當(dāng)?shù)睦鞈?yīng)力可以優(yōu)化電子結(jié)構(gòu)，增強電子配對的相互作用，使得超導(dǎo)能隙增大。相反，壓縮應(yīng)力使原子間距減小，電子云重疊程度增大，也會對超導(dǎo)能隙產(chǎn)生影響，其具體效果取決于應(yīng)力的大小和方向以及材料的具體特性。從超導(dǎo)能隙對稱性的角度來看，應(yīng)力也可能導(dǎo)致其發(fā)生變化。在鐵基超導(dǎo)體中，通常認為超導(dǎo)能隙具有s±對稱性，即在布里淵區(qū)中心（Γ點）的空穴型費米面和布里淵區(qū)角落（M點）的電子型費米面上超導(dǎo)能隙符號相反。然而，應(yīng)力的作用可能會改變這種對稱性。應(yīng)力導(dǎo)致的晶格畸變和電子結(jié)構(gòu)變化，可能會使不同費米面之間的電子散射過程發(fā)生改變，從而影響超導(dǎo)能隙的對稱性。在一些應(yīng)力調(diào)控的實驗中，通過角分辨光電子能譜（ARPES）等技術(shù)，觀察到了超導(dǎo)能隙對稱性的變化跡象。這說明應(yīng)力可以作為一種有效的手段，調(diào)控超導(dǎo)能隙的對稱性，進而影響超導(dǎo)態(tài)下電子的配對方式和超導(dǎo)性能。應(yīng)力對超導(dǎo)能隙的影響對超導(dǎo)態(tài)下電子配對有著重要的作用。超導(dǎo)能隙的大小和對稱性直接關(guān)系到電子配對的穩(wěn)定性和超導(dǎo)電流的傳輸。當(dāng)超導(dǎo)能隙增大時，電子配對的束縛能增強，超導(dǎo)態(tài)更加穩(wěn)定，有利于超導(dǎo)電流的傳輸。而超導(dǎo)能隙對稱性的變化，則可能改變電子配對的方式，影響超導(dǎo)材料的電磁特性。因此，深入研究應(yīng)力對超導(dǎo)能隙的影響，對于理解超導(dǎo)態(tài)下電子配對的微觀機制，以及優(yōu)化超導(dǎo)材料的性能具有重要意義。三、薄層FeSe應(yīng)力調(diào)控的方法3.1襯底誘導(dǎo)應(yīng)力調(diào)控3.1.1襯底選擇與晶格匹配在薄層FeSe的應(yīng)力調(diào)控中，襯底誘導(dǎo)應(yīng)力調(diào)控是一種重要的方法，而襯底的選擇與晶格匹配是實現(xiàn)有效應(yīng)力調(diào)控的關(guān)鍵因素。不同的襯底材料具有不同的晶格常數(shù)，當(dāng)在襯底上生長FeSe薄膜時，由于薄膜與襯底的晶格常數(shù)差異，會產(chǎn)生晶格失配，從而在薄膜內(nèi)部引入應(yīng)力。以SrTiO?（STO）襯底為例，其晶格常數(shù)約為3.905?，而FeSe的晶格常數(shù)約為3.77?。這種晶格常數(shù)的差異會導(dǎo)致在STO襯底上生長的FeSe薄膜受到拉伸應(yīng)力。在生長過程中，F(xiàn)eSe薄膜為了與襯底的晶格保持一定的匹配關(guān)系，其晶格會發(fā)生畸變，從而產(chǎn)生應(yīng)力。具體來說，由于STO襯底的晶格常數(shù)大于FeSe的晶格常數(shù)，F(xiàn)eSe薄膜在面內(nèi)會被拉伸，導(dǎo)致晶格常數(shù)增大，而在垂直于薄膜平面的方向上，晶格常數(shù)會相應(yīng)減小，以維持總體的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。這種因晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力對FeSe薄膜的物理性質(zhì)有著重要影響。除了STO襯底，還有其他一些常見的襯底材料，如LaAlO?（LAO），其晶格常數(shù)約為3.79?。與FeSe的晶格常數(shù)相比，LAO襯底與FeSe的晶格失配程度相對較小。在LAO襯底上生長FeSe薄膜時，產(chǎn)生的應(yīng)力也相對較小。這種較小的應(yīng)力可能會導(dǎo)致FeSe薄膜的物理性質(zhì)變化相對較弱。不同的襯底材料不僅會導(dǎo)致不同程度的晶格失配應(yīng)力，還可能會影響薄膜的生長質(zhì)量和界面特性。由于襯底與薄膜之間的原子相互作用不同，可能會導(dǎo)致薄膜在生長過程中出現(xiàn)不同的晶體取向和缺陷密度。通過精確控制襯底與FeSe薄膜之間的晶格失配程度，可以實現(xiàn)對薄膜應(yīng)力狀態(tài)的有效調(diào)控。在實驗中，可以通過選擇不同晶格常數(shù)的襯底，或者采用緩沖層等技術(shù)手段來調(diào)整晶格失配程度。引入具有中間晶格常數(shù)的緩沖層，可以在一定程度上緩解薄膜與襯底之間的晶格失配，從而調(diào)控薄膜中的應(yīng)力大小和分布。理論計算和模擬也可以為襯底選擇和晶格匹配的優(yōu)化提供重要指導(dǎo)。通過第一性原理計算等方法，可以預(yù)測不同襯底上FeSe薄膜的應(yīng)力狀態(tài)和物理性質(zhì)變化，為實驗研究提供理論依據(jù)。3.1.2實驗案例分析薛其坤團隊在SrTiO?襯底上制備單層FeSe薄膜的研究是襯底誘導(dǎo)應(yīng)力調(diào)控的一個典型案例。在該研究中，利用分子束外延（MBE）技術(shù)在SrTiO?（001）襯底上精確控制生長單層FeSe薄膜。由于SrTiO?襯底與FeSe之間存在約3.6%的晶格失配，在薄膜生長過程中，F(xiàn)eSe薄膜受到了來自襯底的拉伸應(yīng)力。通過多種先進的實驗技術(shù)，對該體系的應(yīng)力狀態(tài)和超導(dǎo)性能進行了深入研究。利用高分辨率X射線衍射（XRD）測量了薄膜的晶格參數(shù)，結(jié)果表明，由于拉伸應(yīng)力的作用，F(xiàn)eSe薄膜的面內(nèi)晶格常數(shù)增大，而c軸方向的晶格常數(shù)減小。這種晶格畸變進一步影響了薄膜的電子結(jié)構(gòu)，通過角分辨光電子能譜（ARPES）測量發(fā)現(xiàn)，薄膜的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，費米能級附近的電子態(tài)密度和能帶色散關(guān)系都與塊體FeSe有顯著差異。在超導(dǎo)性能方面，該體系展現(xiàn)出了優(yōu)異的超導(dǎo)特性?？勾判詼y量顯示，該體系的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在45-85K，遠高于塊體FeSe的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（8.5K）。掃描隧道譜（STS）得到的超導(dǎo)能隙為20.1meV，也遠高于單晶FeSe的2.2meV。這種超導(dǎo)性能的顯著增強被認為與襯底誘導(dǎo)的應(yīng)力以及界面電聲耦合等因素密切相關(guān)。拉伸應(yīng)力導(dǎo)致的晶格畸變改變了電子-聲子相互作用，增強了電子配對的能力，從而提高了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和超導(dǎo)能隙。除了薛其坤團隊的研究，其他研究小組也在不同襯底上進行了相關(guān)實驗。有研究在LaAlO?襯底上生長FeSe薄膜，由于LaAlO?與FeSe的晶格失配程度相對較小，薄膜中的應(yīng)力狀態(tài)與在SrTiO?襯底上有所不同。實驗結(jié)果表明，在LaAlO?襯底上生長的FeSe薄膜，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度相對較低，但薄膜的晶體質(zhì)量相對較高，缺陷密度較低。這表明不同的襯底誘導(dǎo)應(yīng)力對FeSe薄膜的超導(dǎo)性能和晶體質(zhì)量有著不同的影響。這些實驗案例充分展示了襯底誘導(dǎo)應(yīng)力調(diào)控對薄層FeSe性能的重要影響。通過選擇合適的襯底材料，利用晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力，可以有效地調(diào)控FeSe薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)性能。這些研究成果不僅為理解應(yīng)力調(diào)控下薄層FeSe的物理性質(zhì)提供了重要的實驗依據(jù)，也為進一步優(yōu)化FeSe薄膜的超導(dǎo)性能和開發(fā)新型超導(dǎo)器件奠定了基礎(chǔ)。3.2外部壓力施加調(diào)控3.2.1壓力施加技術(shù)與裝置在對薄層FeSe進行應(yīng)力調(diào)控的研究中，外部壓力施加技術(shù)是一種重要的手段，其中金剛石對頂砧（DAC）技術(shù)因其能夠產(chǎn)生極高的壓力而被廣泛應(yīng)用。金剛石對頂砧裝置主要由兩個相對的金剛石砧座組成，樣品被放置在兩個金剛石砧座的微小平面之間。其工作原理基于帕斯卡原理，即通過外部機械裝置對兩個金剛石砧座施加壓力，由于金剛石具有極高的硬度和抗壓強度，能夠承受巨大的壓力而不發(fā)生明顯變形，從而將壓力均勻地傳遞到樣品上。在加壓過程中，通過精確控制施加在金剛石砧座上的外力大小，實現(xiàn)對樣品所受壓力的精確調(diào)控。為了測量施加在樣品上的壓力大小，通常會在樣品中引入壓力標(biāo)定物質(zhì)，如紅寶石。利用紅寶石熒光光譜中R1線的頻移與壓力的線性關(guān)系，通過測量R1線的頻移，就可以準(zhǔn)確地確定樣品所受的壓力。除了金剛石對頂砧技術(shù)，還有其他一些壓力施加裝置和技術(shù)也在相關(guān)研究中有所應(yīng)用。一些液壓式壓力裝置，通過液體介質(zhì)傳遞壓力，可以對較大體積的樣品施加相對均勻的壓力。這類裝置通常適用于對壓力要求相對較低，但對樣品體積有一定要求的實驗。在一些研究中，通過設(shè)計特殊的機械夾具，利用機械杠桿原理對樣品施加壓力，這種方法可以在一定程度上實現(xiàn)對壓力的精確控制，并且適用于一些對實驗裝置要求較為簡單的情況。不同的壓力施加技術(shù)和裝置具有各自的特點和適用范圍。金剛石對頂砧技術(shù)的優(yōu)勢在于能夠產(chǎn)生極高的壓力，可達到數(shù)百GPa，適用于研究材料在極端高壓條件下的物理性質(zhì)。但該技術(shù)也存在一些局限性，如樣品腔體積非常小，對樣品的制備和測量要求較高，實驗操作難度較大。液壓式壓力裝置雖然能夠?qū)^大體積的樣品施加壓力，但所能產(chǎn)生的壓力相對較低，一般適用于研究材料在較低壓力范圍內(nèi)的性質(zhì)變化。機械夾具式壓力施加方法雖然操作相對簡單，但壓力的均勻性和精確控制程度相對有限。在實際研究中，需要根據(jù)具體的研究目的和樣品特性，選擇合適的壓力施加技術(shù)和裝置。3.2.2壓力調(diào)控效果與局限性外部壓力對薄層FeSe的應(yīng)力調(diào)控效果顯著，對其超導(dǎo)性能產(chǎn)生了多方面的影響。在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度方面，如前文所述，在小于9GPa的靜水壓力下，F(xiàn)eSe的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc）隨著壓力的增加而增加。壓力改變了FeSe的晶體結(jié)構(gòu)，使得Se原子的Wyckoff位置zSe增加，晶格常數(shù)減小，進而增強了電聲耦合，提高了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。這種超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的提升表明，外部壓力可以有效地優(yōu)化FeSe的超導(dǎo)性能，使其在更高的溫度下實現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)，為超導(dǎo)材料的實際應(yīng)用提供了更廣闊的溫度范圍。在超導(dǎo)能隙方面，壓力也會對其產(chǎn)生影響。不同方向的局域單軸應(yīng)力對超導(dǎo)能隙有著不同的作用。在LiFeAs表面的研究中，第一類褶皺沿著[110]方向（即Fe-Fe方向），能增大超導(dǎo)能隙；而第二類褶皺沿著[100]方向（即Fe-As方向），則抑制超導(dǎo)能隙。對于FeSe薄膜，外部壓力導(dǎo)致的晶格畸變同樣會改變電子結(jié)構(gòu)，從而影響超導(dǎo)能隙。適當(dāng)?shù)膲毫梢詢?yōu)化電子結(jié)構(gòu)，增強電子配對的相互作用，使得超導(dǎo)能隙增大，這對于提高超導(dǎo)材料的性能具有重要意義。然而，外部壓力調(diào)控方法在實際應(yīng)用中也存在諸多局限性。從壓力施加的均勻性角度來看，實現(xiàn)對大面積樣品的均勻壓力施加是一個難題。在金剛石對頂砧技術(shù)中，由于樣品腔體積小，雖然能夠?qū)π〕叽鐦悠肥┘痈邏?，但難以保證壓力在大面積樣品上的均勻分布。對于液壓式壓力裝置和機械夾具式壓力施加方法，也存在壓力均勻性難以精確控制的問題。壓力不均勻會導(dǎo)致樣品不同部位的應(yīng)力狀態(tài)不一致，從而影響對材料性能的準(zhǔn)確研究和調(diào)控。壓力的精確控制也是一個挑戰(zhàn)。在實驗過程中，要精確控制壓力的大小和變化速率，以實現(xiàn)對材料性能的精準(zhǔn)調(diào)控，這需要高精度的壓力控制系統(tǒng)和復(fù)雜的實驗技術(shù)。即使采用了先進的壓力控制設(shè)備，由于實驗環(huán)境的微小變化和設(shè)備本身的精度限制，仍然難以實現(xiàn)壓力的絕對精確控制。壓力的精確控制難度限制了對材料性能進行精細調(diào)控的能力，影響了研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。此外，外部壓力施加技術(shù)通常需要復(fù)雜且昂貴的實驗設(shè)備，如金剛石對頂砧裝置，其設(shè)備成本高，維護和操作難度大，這限制了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。在實際應(yīng)用中，將外部壓力調(diào)控技術(shù)應(yīng)用于大規(guī)模制備高性能的超導(dǎo)材料和器件也面臨諸多困難，如難以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)中的壓力均勻施加和精確控制，導(dǎo)致該技術(shù)在實際應(yīng)用中的推廣受到阻礙。3.3其他調(diào)控方法3.3.1電場調(diào)控與應(yīng)力耦合電場作為一種重要的外部調(diào)控手段，能夠?qū)Ρ覨eSe內(nèi)部的電荷分布產(chǎn)生顯著影響，進而與應(yīng)力實現(xiàn)耦合，共同調(diào)控材料的性能。當(dāng)在薄層FeSe上施加電場時，根據(jù)電場與電荷的相互作用原理，電場會對材料中的電荷產(chǎn)生作用力。在電場的作用下，材料中的電子會發(fā)生重新分布，電子云的形狀和位置會發(fā)生改變。在FeSe薄膜中，電場可以改變Fe原子和Se原子周圍的電子云密度，從而影響原子間的相互作用。由于電場的作用，電子可能會更多地聚集在某個原子周圍，導(dǎo)致原子間的電荷分布不均勻，進而產(chǎn)生額外的內(nèi)應(yīng)力。這種內(nèi)應(yīng)力與通過其他方式（如襯底誘導(dǎo)、外部壓力施加）產(chǎn)生的應(yīng)力相互耦合，共同影響材料的性能。從晶體結(jié)構(gòu)角度來看，電場-應(yīng)力耦合會導(dǎo)致晶格發(fā)生進一步的畸變。電場引起的電荷分布變化會改變原子間的庫侖力，與應(yīng)力作用下的原子間作用力相互疊加，使得晶格的畸變程度和方式發(fā)生變化。原本在單純應(yīng)力作用下晶格的畸變方向和程度，在電場-應(yīng)力耦合作用下可能會發(fā)生改變，從而影響材料的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和對稱性。在超導(dǎo)性能方面，電場-應(yīng)力耦合對超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和超導(dǎo)能隙也有著重要影響。電場導(dǎo)致的電荷分布變化和應(yīng)力引起的晶格結(jié)構(gòu)變化，會共同改變電子-聲子相互作用和電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)。適當(dāng)?shù)碾妶?應(yīng)力耦合可以優(yōu)化電子結(jié)構(gòu)，增強電子配對的能力，從而提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和超導(dǎo)能隙。在一些實驗中，通過同時施加電場和應(yīng)力，觀察到了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的顯著提升和超導(dǎo)能隙的增大。為了深入研究電場-應(yīng)力耦合對薄層FeSe性能的影響，通常采用多種實驗技術(shù)和理論計算方法相結(jié)合的方式。利用掃描隧道顯微鏡（STM）和掃描隧道譜（STS）等技術(shù)，可以在原子尺度上研究電場-應(yīng)力耦合下材料的表面電荷分布和電子態(tài)變化。通過測量不同電場和應(yīng)力條件下的隧道電流和超導(dǎo)能隙，能夠直接獲得材料的電學(xué)和超導(dǎo)性能信息。同時，結(jié)合第一性原理計算，從理論上模擬電場-應(yīng)力耦合作用下材料的電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)性能的變化，深入揭示其微觀機制。3.3.2化學(xué)摻雜與應(yīng)力協(xié)同作用化學(xué)摻雜是改變材料電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)的重要手段，在薄層FeSe中，化學(xué)摻雜與應(yīng)力之間存在著顯著的協(xié)同作用，共同影響著材料的性能。當(dāng)對FeSe進行化學(xué)摻雜時，引入的雜質(zhì)原子會替代Fe或Se原子的位置，從而改變材料的電子結(jié)構(gòu)。雜質(zhì)原子的價電子數(shù)與被替代原子不同，會導(dǎo)致材料中電子的濃度和分布發(fā)生變化。在FeSe中摻入電子施主雜質(zhì)，會增加材料中的電子濃度，使費米能級附近的電子態(tài)密度發(fā)生改變。這種電子結(jié)構(gòu)的變化會進一步影響材料的電學(xué)、磁學(xué)和超導(dǎo)性能。化學(xué)摻雜還會對晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。雜質(zhì)原子的大小和電負性與Fe和Se原子不同，會導(dǎo)致晶格發(fā)生畸變。較大的雜質(zhì)原子替代Fe或Se原子后，會使晶格膨脹，產(chǎn)生局部的應(yīng)力場；較小的雜質(zhì)原子則會使晶格收縮。這種由化學(xué)摻雜引起的晶格畸變與外部施加的應(yīng)力相互作用，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。在超導(dǎo)性能方面，化學(xué)摻雜與應(yīng)力的協(xié)同作用尤為明顯。適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)摻雜和應(yīng)力調(diào)控可以優(yōu)化電子-聲子相互作用，增強電子配對的能力，從而提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和超導(dǎo)能隙。在一些研究中，通過在FeSe薄膜中摻入特定的雜質(zhì)原子，并同時施加一定的應(yīng)力，實現(xiàn)了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的顯著提升。化學(xué)摻雜改變了電子結(jié)構(gòu)，為電子配對提供了更多的可能性，而應(yīng)力則進一步優(yōu)化了晶體結(jié)構(gòu)，增強了電子-聲子相互作用，兩者協(xié)同作用，促進了超導(dǎo)性能的提升?；瘜W(xué)摻雜與應(yīng)力的協(xié)同作用還會影響材料的其他物理性能。在電學(xué)性能方面，兩者的協(xié)同作用可能會改變材料的電導(dǎo)率和載流子遷移率。在磁學(xué)性能方面，可能會影響材料的磁性和磁各向異性。這些性能的變化與超導(dǎo)性能之間存在著復(fù)雜的關(guān)聯(lián)，相互影響，共同決定了材料的綜合性能。為了深入理解化學(xué)摻雜與應(yīng)力的協(xié)同作用機制，需要綜合運用多種實驗技術(shù)和理論計算方法。通過X射線衍射（XRD）、高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）等實驗技術(shù)，可以研究化學(xué)摻雜和應(yīng)力作用下材料的晶體結(jié)構(gòu)變化。利用ARPES、STM等技術(shù)，可以探測電子結(jié)構(gòu)的變化。同時，基于第一性原理的計算方法，如密度泛函理論（DFT）計算，可以從理論上深入分析化學(xué)摻雜與應(yīng)力協(xié)同作用下材料的電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和物理性能的變化，為實驗研究提供理論指導(dǎo)。四、影響薄層FeSe應(yīng)力調(diào)控的因素4.1材料自身特性的影響4.1.1薄膜厚度的作用薄膜厚度在薄層FeSe的應(yīng)力調(diào)控過程中扮演著關(guān)鍵角色，其對材料性能的影響通過應(yīng)力傳遞和分布的變化得以體現(xiàn)，這一現(xiàn)象在眾多實驗和理論模擬中得到了充分的研究與驗證。在實驗方面，研究人員利用分子束外延（MBE）技術(shù)精確控制FeSe薄膜的生長厚度，制備出不同厚度的樣品，并對其在應(yīng)力作用下的響應(yīng)進行了深入研究。實驗結(jié)果表明，薄膜厚度的變化會顯著影響應(yīng)力在薄膜內(nèi)部的傳遞和分布。當(dāng)FeSe薄膜厚度較小時，表面和界面效應(yīng)更為突出。由于表面原子的配位不飽和，其與內(nèi)部原子的相互作用與體相原子不同，導(dǎo)致表面原子對應(yīng)力的響應(yīng)更為敏感。在這種情況下，應(yīng)力更容易在表面區(qū)域集中，進而影響薄膜的整體性能。研究發(fā)現(xiàn)，較薄的FeSe薄膜在受到相同的外延應(yīng)力時，其表面的晶格畸變程度更大，這是因為薄膜較薄時，內(nèi)部原子對表面原子的約束作用相對較弱，表面原子更容易在應(yīng)力作用下發(fā)生位移。隨著薄膜厚度的增加，體相原子的比例逐漸增大，應(yīng)力的傳遞和分布逐漸趨于均勻。厚膜中的體相原子能夠更好地分擔(dān)應(yīng)力，使得應(yīng)力在薄膜內(nèi)部的分布更加均勻，減少了應(yīng)力集中現(xiàn)象。在一定厚度范圍內(nèi)，隨著FeSe薄膜厚度的增加，其在應(yīng)力作用下的晶格畸變程度逐漸減小，表明應(yīng)力在厚膜中能夠更均勻地傳遞，避免了因應(yīng)力集中導(dǎo)致的性能惡化。從理論模擬的角度來看，有限元分析等方法被廣泛應(yīng)用于研究薄膜厚度對應(yīng)力分布的影響。通過建立FeSe薄膜的模型，模擬不同厚度下應(yīng)力的傳遞和分布情況，理論計算結(jié)果與實驗現(xiàn)象高度吻合。有限元分析結(jié)果顯示，在相同的應(yīng)力條件下，較薄的薄膜中應(yīng)力分布呈現(xiàn)出明顯的非均勻性，表面區(qū)域的應(yīng)力值明顯高于內(nèi)部區(qū)域。而在較厚的薄膜中，應(yīng)力分布相對均勻，內(nèi)部各區(qū)域的應(yīng)力值差異較小。這進一步證實了薄膜厚度對應(yīng)力分布的重要影響。薄膜厚度還會影響應(yīng)力對超導(dǎo)性能的調(diào)控效果。理論分析表明，較薄的FeSe薄膜可能對應(yīng)力更為敏感，因為其表面和界面效應(yīng)增強了應(yīng)力對電子結(jié)構(gòu)的影響。在較薄的薄膜中，應(yīng)力更容易改變表面和界面處的電子態(tài)，進而影響超導(dǎo)電子的配對和傳輸，對超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和超導(dǎo)能隙產(chǎn)生較大影響。相反，在較厚的薄膜中，體相原子的主導(dǎo)作用使得應(yīng)力對超導(dǎo)性能的影響相對較弱。研究發(fā)現(xiàn)，在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)，較薄的FeSe薄膜的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度隨應(yīng)力的變化更為顯著，而較厚的薄膜的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度變化相對較小。4.1.2晶體取向的影響晶體取向在薄層FeSe的應(yīng)力調(diào)控過程中對其物理性能有著顯著的影響，這種影響源于晶體取向與應(yīng)力作用之間復(fù)雜的相互關(guān)系。在晶體結(jié)構(gòu)中，不同的晶體取向意味著原子排列方式和原子間鍵合方向的差異。對于FeSe晶體，其具有特定的晶體結(jié)構(gòu)，不同取向的晶面原子排列和鍵長、鍵角各不相同。當(dāng)應(yīng)力作用于不同晶體取向的薄層FeSe時，由于原子間的相互作用不同，應(yīng)力對晶體結(jié)構(gòu)的影響也會有所不同。在沿著[110]方向的晶體取向中，原子間的鍵合方式和排列使得該方向上的原子對應(yīng)力的響應(yīng)與其他方向不同。當(dāng)施加應(yīng)力時，[110]方向上的原子可能更容易發(fā)生位移和重排，導(dǎo)致晶格畸變的方式和程度與其他取向不同。這種晶體取向與應(yīng)力作用的相互關(guān)系會進一步影響材料的物理性能。在電學(xué)性能方面，不同晶體取向的FeSe薄膜在應(yīng)力作用下，其電導(dǎo)率和載流子遷移率會發(fā)生不同的變化。由于晶體取向影響了電子的散射過程和電子態(tài)密度分布，應(yīng)力導(dǎo)致的晶體結(jié)構(gòu)變化會對電子的輸運產(chǎn)生不同的影響。在某些晶體取向中，應(yīng)力可能會增加電子的散射中心，降低載流子遷移率，從而導(dǎo)致電導(dǎo)率下降；而在其他取向中，應(yīng)力可能會優(yōu)化電子結(jié)構(gòu)，減少電子散射，提高電導(dǎo)率。在超導(dǎo)性能方面，晶體取向?qū)Τ瑢?dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和超導(dǎo)能隙的影響也十分顯著。研究表明，不同晶體取向的FeSe薄膜在相同的應(yīng)力條件下，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和超導(dǎo)能隙的變化規(guī)律存在差異。在[100]取向的FeSe薄膜中，應(yīng)力可能會通過改變電子-聲子相互作用和電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)，對超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度產(chǎn)生特定的影響。而在[110]取向的薄膜中，由于原子間的相互作用和電子結(jié)構(gòu)的不同，應(yīng)力對超導(dǎo)性能的影響機制也會有所不同。這種差異可能源于不同晶體取向中電子軌道的重疊方式和電子態(tài)的分布不同，使得應(yīng)力對電子配對和超導(dǎo)態(tài)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不同的作用。為了深入研究晶體取向?qū)Ρ覨eSe應(yīng)力調(diào)控的影響，實驗中通常采用X射線衍射（XRD）、極圖分析等技術(shù)來確定晶體取向。通過對不同晶體取向的樣品施加應(yīng)力，并利用掃描隧道顯微鏡（STM）、角分辨光電子能譜（ARPES）等技術(shù)測量其物理性能的變化，可以系統(tǒng)地研究晶體取向與應(yīng)力作用的相互關(guān)系及其對物理性能的影響。同時，基于第一性原理的理論計算方法也被廣泛應(yīng)用，通過計算不同晶體取向在應(yīng)力作用下的電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和物理性能的變化，從理論上深入揭示其內(nèi)在機制。4.2外部環(huán)境因素的影響4.2.1溫度對應(yīng)力調(diào)控的影響溫度變化對薄層FeSe的應(yīng)力調(diào)控有著重要影響，其作用機制主要通過熱膨脹系數(shù)的變化來實現(xiàn)。熱膨脹是物體在溫度變化時，其體積或長度發(fā)生變化的現(xiàn)象。對于薄層FeSe，不同溫度下其熱膨脹系數(shù)存在差異，這會導(dǎo)致材料在溫度變化過程中發(fā)生不同程度的膨脹或收縮。當(dāng)溫度升高時，F(xiàn)eSe材料中的原子熱運動加劇，原子間距增大，材料發(fā)生膨脹。由于FeSe薄膜與襯底的熱膨脹系數(shù)不同，在溫度變化時兩者的膨脹或收縮程度不一致，從而在薄膜內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。如果FeSe薄膜的熱膨脹系數(shù)大于襯底的熱膨脹系數(shù)，在溫度升高過程中，薄膜的膨脹程度大于襯底，薄膜會受到來自襯底的約束，從而產(chǎn)生壓應(yīng)力；反之，如果FeSe薄膜的熱膨脹系數(shù)小于襯底的熱膨脹系數(shù)，薄膜會受到拉伸應(yīng)力。這種熱應(yīng)力的產(chǎn)生會改變材料內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，進而影響材料的性能。溫度變化導(dǎo)致的應(yīng)力狀態(tài)改變對超導(dǎo)性能也有著顯著的影響。從超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度角度來看，熱應(yīng)力的變化會影響電子-聲子相互作用和電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)。在一定的溫度范圍內(nèi)，適當(dāng)?shù)臒釕?yīng)力可以優(yōu)化電子結(jié)構(gòu)，增強電子配對的能力，從而提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。當(dāng)熱應(yīng)力使FeSe薄膜的晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生微小調(diào)整，使得電子-聲子相互作用增強時，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可能會升高。然而，如果溫度變化導(dǎo)致的熱應(yīng)力過大，可能會破壞晶格結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，引入過多的缺陷，從而削弱超導(dǎo)性能，降低超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。在超導(dǎo)能隙方面，溫度變化和熱應(yīng)力的共同作用會改變超導(dǎo)能隙的大小。熱應(yīng)力會改變FeSe薄膜的電子態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)，進而影響超導(dǎo)能隙。在某些溫度條件下，熱應(yīng)力可能會使電子態(tài)密度發(fā)生變化，導(dǎo)致超導(dǎo)能隙增大；而在另一些情況下，熱應(yīng)力可能會破壞電子的配對，使超導(dǎo)能隙減小。研究表明，在低溫環(huán)境下，熱應(yīng)力對超導(dǎo)能隙的影響可能更為顯著，因為低溫下電子的熱運動相對較弱，熱應(yīng)力對電子結(jié)構(gòu)的影響更容易體現(xiàn)出來。為了深入研究溫度對應(yīng)力調(diào)控和超導(dǎo)性能的影響，實驗中通常采用變溫X射線衍射（XRD）、變溫掃描隧道顯微鏡（STM）等技術(shù)。通過變溫XRD可以測量不同溫度下FeSe薄膜的晶格參數(shù)變化，從而確定熱應(yīng)力的大小和方向。利用變溫STM則可以在原子尺度上研究溫度變化和熱應(yīng)力作用下材料的表面電子結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)能隙的變化。同時，結(jié)合理論計算，如分子動力學(xué)模擬和第一性原理計算，可以從理論上深入分析溫度變化、熱應(yīng)力與超導(dǎo)性能之間的關(guān)系，為實驗研究提供理論指導(dǎo)。4.2.2磁場與應(yīng)力的相互作用磁場對處于應(yīng)力狀態(tài)下的薄層FeSe的超導(dǎo)性能有著復(fù)雜的影響，這種影響源于磁場與應(yīng)力之間的相互作用以及它們對材料電子結(jié)構(gòu)的綜合作用。當(dāng)對處于應(yīng)力狀態(tài)下的薄層FeSe施加磁場時，磁場會與材料中的電子相互作用，改變電子的運動狀態(tài)和能量分布。在超導(dǎo)態(tài)下，磁場會對超導(dǎo)電子對產(chǎn)生影響，進而影響超導(dǎo)電流的傳輸。根據(jù)邁斯納效應(yīng)，超導(dǎo)體在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下會排斥磁場，使磁通線從超導(dǎo)體內(nèi)排出。然而，在應(yīng)力和磁場的共同作用下，這種排斥作用可能會發(fā)生變化。應(yīng)力狀態(tài)會影響磁場對超導(dǎo)性能的作用效果。在不同的應(yīng)力條件下，F(xiàn)eSe薄膜的晶格結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致其對磁場的響應(yīng)也不同。在拉伸應(yīng)力作用下，F(xiàn)eSe薄膜的晶格發(fā)生畸變，電子態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這可能會改變磁場對超導(dǎo)電子對的作用方式。由于拉伸應(yīng)力使原子間距增大，電子云的重疊程度減小，磁場對電子的洛倫茲力作用可能會發(fā)生變化，從而影響超導(dǎo)電流的傳輸和超導(dǎo)性能。磁場與應(yīng)力之間還可能存在相互作用機制。磁場可能會通過影響電子的自旋和軌道運動，改變材料內(nèi)部的應(yīng)力分布。在一些具有磁性的材料中，磁場可以誘導(dǎo)磁致伸縮效應(yīng)，使材料發(fā)生形變，從而產(chǎn)生應(yīng)力。對于FeSe薄膜，雖然其本身并非強磁性材料，但在磁場作用下，電子的自旋和軌道狀態(tài)可能會發(fā)生變化，進而影響原子間的相互作用，導(dǎo)致應(yīng)力分布的改變。這種磁場與應(yīng)力之間的相互作用會進一步影響材料的電子結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)性能。在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度方面，磁場和應(yīng)力的共同作用可能會導(dǎo)致超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的變化。在一定的磁場和應(yīng)力范圍內(nèi)，兩者的協(xié)同作用可能會優(yōu)化電子-聲子相互作用，增強電子配對的能力，從而提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。然而，當(dāng)磁場強度或應(yīng)力過大時，可能會破壞超導(dǎo)態(tài)的穩(wěn)定性，降低超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。研究表明，在某些情況下，磁場和應(yīng)力的相互作用會導(dǎo)致超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度出現(xiàn)非單調(diào)的變化，這與它們對電子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜影響有關(guān)。為了深入研究磁場與應(yīng)力的相互作用及其對超導(dǎo)性能的影響，實驗中通常采用強磁場下的輸運測量、磁性測量等技術(shù)。通過測量不同磁場和應(yīng)力條件下FeSe薄膜的電阻、臨界電流密度等輸運性質(zhì)，以及磁化強度等磁性性質(zhì)，可以直接獲得超導(dǎo)性能的變化信息。同時，利用同步輻射X射線衍射、中子散射等技術(shù)，可以研究磁場和應(yīng)力作用下材料的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的變化，深入揭示其相互作用機制。結(jié)合理論計算，如基于量子力學(xué)的第一性原理計算和基于經(jīng)典力學(xué)的分子動力學(xué)模擬，可以從理論上深入分析磁場與應(yīng)力相互作用下材料的電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)性能的變化，為實驗研究提供理論支持。五、薄層FeSe應(yīng)力調(diào)控的研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)5.1研究現(xiàn)狀綜述在實驗研究方面，襯底誘導(dǎo)應(yīng)力調(diào)控已取得顯著成果。眾多研究聚焦于不同襯底對FeSe薄膜應(yīng)力狀態(tài)和超導(dǎo)性能的影響。如前文所述，薛其坤團隊在SrTiO?襯底上制備的單層FeSe薄膜，由于襯底與FeSe之間的晶格失配，薄膜受到拉伸應(yīng)力，展現(xiàn)出高達45-85K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。除了SrTiO?，研究人員還嘗試了其他多種襯底材料，如LaAlO?、MgO等。在LaAlO?襯底上生長的FeSe薄膜，其應(yīng)力狀態(tài)和超導(dǎo)性能與在SrTiO?襯底上有所不同。通過對不同襯底上FeSe薄膜的研究，揭示了襯底晶格常數(shù)、界面原子相互作用等因素對薄膜應(yīng)力和超導(dǎo)性能的影響規(guī)律。外部壓力施加調(diào)控方面，金剛石對頂砧（DAC）技術(shù)被廣泛應(yīng)用于研究薄層FeSe在高壓下的性能變化。研究發(fā)現(xiàn)，在一定壓力范圍內(nèi)，F(xiàn)eSe的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度會隨著壓力的增加而升高。在小于9GPa的靜水壓力下，F(xiàn)eSe的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度隨壓力增加而增加。通過高壓下的實驗，深入研究了壓力對FeSe晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)性能的影響機制。一些研究還探索了壓力與其他因素（如溫度、磁場）的協(xié)同作用對FeSe性能的影響。在電場調(diào)控與應(yīng)力耦合方面，實驗研究表明電場可以改變FeSe薄膜的電荷分布，進而與應(yīng)力產(chǎn)生耦合效應(yīng)。通過在FeSe薄膜上施加電場，觀察到了材料電學(xué)性能和超導(dǎo)性能的變化。在一些實驗中，通過控制電場強度和方向，實現(xiàn)了對FeSe薄膜超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和超導(dǎo)能隙的調(diào)控。利用掃描隧道顯微鏡（STM）和掃描隧道譜（STS）等技術(shù)，研究了電場-應(yīng)力耦合作用下FeSe薄膜表面的電荷分布和電子態(tài)變化?；瘜W(xué)摻雜與應(yīng)力協(xié)同作用的研究也取得了一定進展。研究發(fā)現(xiàn)，化學(xué)摻雜可以改變FeSe的電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)，與應(yīng)力協(xié)同作用，共同影響材料的性能。在FeSe中摻入特定的雜質(zhì)原子，并同時施加應(yīng)力，實現(xiàn)了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的顯著提升。通過X射線衍射（XRD）、高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）等技術(shù)，研究了化學(xué)摻雜和應(yīng)力作用下FeSe的晶體結(jié)構(gòu)變化。利用角分辨光電子能譜（ARPES）、掃描隧道顯微鏡（STM）等技術(shù)，探測了電子結(jié)構(gòu)的變化。在理論研究方面，基于第一性原理的計算方法被廣泛應(yīng)用于研究薄層FeSe的應(yīng)力調(diào)控。通過第一性原理計算，可以精確地模擬應(yīng)力作用下FeSe薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和聲子譜的變化。計算結(jié)果揭示了應(yīng)力對電子-聲子相互作用、電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)以及費米能級附近電子態(tài)分布的影響機制。在研究應(yīng)力對超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的影響時，通過第一性原理計算分析了不同應(yīng)力條件下電子-聲子耦合強度、費米能級附近態(tài)密度的變化，從而解釋了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的變化規(guī)律。分子動力學(xué)模擬也被用于研究應(yīng)力作用下FeSe薄膜的原子動力學(xué)行為。通過分子動力學(xué)模擬，可以直觀地觀察到應(yīng)力作用下原子的運動軌跡和晶格的動態(tài)變化。研究應(yīng)力作用下FeSe薄膜中原子的擴散、位錯的產(chǎn)生和運動等過程，為理解應(yīng)力對材料微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響提供了重要信息。一些理論模型也被提出用于解釋應(yīng)力調(diào)控下FeSe的超導(dǎo)機制。基于BCS理論的擴展模型，考慮了應(yīng)力對電子-聲子相互作用和電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)的影響，對超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和超導(dǎo)能隙的變化進行了理論解釋。一些模型還考慮了電場、化學(xué)摻雜等因素與應(yīng)力的協(xié)同作用，為深入理解應(yīng)力調(diào)控下FeSe的性能變化提供了理論框架。5.2面臨的挑戰(zhàn)與問題5.2.1應(yīng)力精確控制與測量的困難在實驗中，實現(xiàn)對薄層FeSe應(yīng)力的精確控制和準(zhǔn)確測量面臨著諸多技術(shù)難題。從應(yīng)力精確控制方面來看，目前的各種應(yīng)力施加方法都存在一定的局限性。在襯底誘導(dǎo)應(yīng)力調(diào)控中，雖然可以通過選擇不同晶格常數(shù)的襯底來引入應(yīng)力，但由于襯底與薄膜之間的界面原子相互作用復(fù)雜，很難精確控制應(yīng)力的大小和分布。在生長過程中，界面處可能會出現(xiàn)原子的擴散、缺陷等問題，這些都會影響應(yīng)力的傳遞和分布，導(dǎo)致實際的應(yīng)力狀態(tài)與預(yù)期存在偏差。外部壓力施加調(diào)控中，如金剛石對頂砧技術(shù)，雖然能夠產(chǎn)生極高的壓力，但壓力的均勻性和精確控制一直是困擾研究的難題。由于樣品腔體積小，壓力在樣品內(nèi)部的分布很難做到完全均勻，這會導(dǎo)致樣品不同部位的應(yīng)力狀態(tài)不一致。在實驗中，即使采用了高精度的壓力控制系統(tǒng)，由于金剛石砧座的微小形變、樣品與砧座之間的接觸狀態(tài)變化等因素，仍然難以實現(xiàn)壓力的絕對精確控制。在壓力加載和卸載過程中，由于設(shè)備的機械滯后和彈性變形等問題，也會影響壓力控制的精度。在應(yīng)力測量方面，目前的測量方法也存在局限性。X射線衍射（XRD）是一種常用的測量薄膜應(yīng)力的方法，它通過測量晶格參數(shù)的變化來推斷應(yīng)力大小。然而，XRD測量存在一定的誤差，尤其是對于薄層FeSe薄膜，由于薄膜厚度較薄，信號較弱，測量精度受到很大影響。而且XRD只能測量宏觀平均的應(yīng)力，無法獲取薄膜內(nèi)部應(yīng)力的微觀分布信息。掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM）等技術(shù)可以在微觀尺度上研究薄膜的表面形貌和應(yīng)力分布，但這些技術(shù)的測量范圍有限，只能獲取薄膜表面的局部信息，難以對整個薄膜的應(yīng)力狀態(tài)進行全面的表征。這些技術(shù)對樣品的表面質(zhì)量要求較高，對于制備過程中存在缺陷或雜質(zhì)的樣品，測量結(jié)果可能會受到干擾。此外，一些間接測量應(yīng)力的方法，如通過測量材料的電學(xué)、磁學(xué)性能變化來推斷應(yīng)力，也存在一定的不確定性。因為材料的電學(xué)、磁學(xué)性能不僅受到應(yīng)力的影響，還會受到其他因素（如溫度、雜質(zhì)、缺陷等）的干擾，這使得通過這些性能變化來準(zhǔn)確推斷應(yīng)力變得困難。5.2.2理論模型的不完善目前用于解釋薄層FeSe應(yīng)力調(diào)控機制的理論模型存在諸多不足之處，這在一定程度上限制了對材料性能調(diào)控的深入理解和精確預(yù)測?，F(xiàn)有的理論模型在解釋復(fù)雜物理現(xiàn)象時能力有限。在應(yīng)力調(diào)控下，薄層FeSe的超導(dǎo)性能受到多種因素的綜合影響，包括電子-聲子相互作用、電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)、晶格畸變等。然而，現(xiàn)有的理論模型往往難以全面考慮這些因素之間的復(fù)雜相互作用?；贐CS理論的擴展模型在解釋應(yīng)力對超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的影響時，雖然考慮了電子-聲子相互作用的變化，但對于電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)的處理相對簡單，難以準(zhǔn)確描述在強關(guān)聯(lián)體系中應(yīng)力對超導(dǎo)性能的影響。在實際的FeSe體系中，電子之間的相互作用較為復(fù)雜，存在著多種電子軌道的相互作用和電子的局域化現(xiàn)象，現(xiàn)有的理論模型難以準(zhǔn)確描述這些復(fù)雜的電子態(tài)和相互作用。理論模型與實驗結(jié)果之間存在一定的偏差。在一些實驗中，觀察到的應(yīng)力調(diào)控下的物理現(xiàn)象無法用現(xiàn)有的理論模型進行很好的解釋。在研究應(yīng)力對超導(dǎo)能隙對稱性的影響時，實驗中發(fā)現(xiàn)了一些與理論預(yù)測不符的結(jié)果。理論模型預(yù)測在某些應(yīng)力條件下，超導(dǎo)能隙的對稱性應(yīng)該保持不變，但實驗中卻觀察到了超導(dǎo)能隙對稱性的變化。這種偏差可能源于理論模型對實際材料體系的簡化和假設(shè)不合理，沒有充分考慮到材料中的缺陷、雜質(zhì)以及表面和界面效應(yīng)等因素。在考慮多因素協(xié)同作用時，理論模型的復(fù)雜性急劇增加，導(dǎo)致計算難度增大且準(zhǔn)確性降低。當(dāng)考慮電場、化學(xué)摻雜與應(yīng)力的協(xié)同作用時，理論模型需要同時考慮多個因素對電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和物理性能的影響。由于這些因素之間的相互作用是非線性的，使得理論模型的構(gòu)建和計算變得極為復(fù)雜。在考慮電場-應(yīng)力耦合時，需要同時考慮電場對電子結(jié)構(gòu)的影響以及應(yīng)力對晶格結(jié)構(gòu)的影響，并且還要考慮兩者之間的相互作用，這使得理論計算的難度大大增加。而且，隨著模型復(fù)雜性的增加，計算過程中引入的近似和假設(shè)也會增多，從而降低了理論模型的準(zhǔn)確性。六、薄層FeSe應(yīng)力調(diào)控的應(yīng)用前景6.1在超導(dǎo)電子器件中的應(yīng)用6.1.1超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的性能優(yōu)化超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)作為超導(dǎo)電子器件中的關(guān)鍵組件，在量子計算、量子通信以及高精度測量等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。應(yīng)力調(diào)控技術(shù)為優(yōu)化超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)的性能提供了新的途徑，有望顯著提升其在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用效能。在提高臨界電流密度方面，應(yīng)力調(diào)控可以通過改變約瑟夫森結(jié)中薄層FeSe的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。如前文所述，應(yīng)力會導(dǎo)致FeSe晶格的畸變，進而改變電子-聲子相互作用和電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)。在約瑟夫森結(jié)中，適當(dāng)?shù)膽?yīng)力可以增強電子-聲子相互作用，使得電子配對更加穩(wěn)定，從而提高超導(dǎo)電流的傳輸能力，增加臨界電流密度。通過在生長過程中利用襯底誘導(dǎo)應(yīng)力，精確控制FeSe薄膜的晶格常數(shù)和原子間距，優(yōu)化電子結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了約瑟夫森結(jié)臨界電流密度的顯著提升。較高的臨界電流密度使得約瑟夫森結(jié)能夠承載更大的超導(dǎo)電流，提高了器件的工作效率和性能穩(wěn)定性。在量子計算中，更高的臨界電流密度可以減少量子比特的退相干時間，提高量子計算的準(zhǔn)確性和可靠性。在降低功耗方面，應(yīng)力調(diào)控同樣具有重要作用。傳統(tǒng)的超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)在工作過程中會產(chǎn)生一定的功耗，這限制了其在大規(guī)模集成器件中的應(yīng)用。通過應(yīng)力調(diào)控優(yōu)化約瑟夫森結(jié)的性能，可以降低其工作時的能量損耗。應(yīng)力調(diào)控可以改變約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)能隙和電子態(tài)密度，使得電子在結(jié)中的傳輸更加順暢，減少了能量的散射和損耗。在一些研究中，通過對約瑟夫森結(jié)施加適當(dāng)?shù)膽?yīng)力，降低了其工作電壓，從而減少了功耗。這對于實現(xiàn)低功耗的超導(dǎo)電子器件具有重要意義，特別是在對功耗要求嚴格的量子通信和便攜式量子計算設(shè)備中，低功耗的約瑟夫森結(jié)能夠延長設(shè)備的續(xù)航時間，提高設(shè)備的實用性。在量子比特等器件中的潛在應(yīng)用方面，超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)作為量子比特的核心組成部分，其性能的提升直接關(guān)系到量子比特的性能。應(yīng)力調(diào)控可以改善約瑟夫森結(jié)的量子特性，提高量子比特的相干時間和操控精度。通過精確控制應(yīng)力，優(yōu)化約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)能隙和量子電容，減少了量子比特與環(huán)境的相互作用，延長了相干時間。這使得量子比特能夠在更長的時間內(nèi)保持量子態(tài)，提高了量子計算的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。應(yīng)力調(diào)控還可以實現(xiàn)對量子比特能級的精確調(diào)控，提高了量子比特的操控精度。通過改變應(yīng)力大小和方向，可以精確調(diào)整約瑟夫森結(jié)的量子特性，實現(xiàn)對量子比特狀態(tài)的精確控制，為實現(xiàn)復(fù)雜的量子計算算法提供了有力支持。6.1.2超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID）的改進超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID）以其極高的磁場靈敏度，在磁共振成像、生物醫(yī)學(xué)檢測、地球物理勘探等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用。應(yīng)力調(diào)控作為一種新興的技術(shù)手段，為SQUID性能的提升帶來了新的機遇，有望進一步拓展其在各領(lǐng)域的應(yīng)用深度和廣度。從靈敏度角度來看，應(yīng)力調(diào)控能夠顯著影響SQUID的性能。在SQUID中，薄層FeSe作為關(guān)鍵的超導(dǎo)材料，其性能的優(yōu)化對SQUID的靈敏度起著決定性作用。應(yīng)力可以改變FeSe的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，進而影響SQUID的磁通量子化特性和超導(dǎo)電流的傳輸。當(dāng)對SQUID中的FeSe施加適當(dāng)?shù)膽?yīng)力時，能夠優(yōu)化電子-聲子相互作用，增強超導(dǎo)電流的穩(wěn)定性，從而提高SQUID對微弱磁場變化的響應(yīng)能力。通過精確控制應(yīng)力大小和方向，調(diào)整FeSe的晶格常數(shù)和原子間距，優(yōu)化電子結(jié)構(gòu)，使得SQUID的靈敏度得到了顯著提升。在磁共振成像領(lǐng)域，更高的靈敏度意味著能夠檢測到更微弱的磁場信號，從而獲得更清晰、更準(zhǔn)確的圖像，為疾病的早期診斷提供更有力的支持。在生物醫(yī)學(xué)檢測中，SQUID的高靈敏度可以檢測到生物體內(nèi)極微弱的磁場變化，有助于發(fā)現(xiàn)早期疾病的跡象，提高疾病的診斷準(zhǔn)確率。在分辨率方面，應(yīng)力調(diào)控同樣具有重要意義。SQUID的分辨率決定了其對不同磁場信號的分辨能力，對于一些需要高精度測量的應(yīng)用場景至關(guān)重要。應(yīng)力調(diào)控可以通過改善FeSe的電子結(jié)構(gòu)，減少電子的散射和噪聲，從而提高SQUID的分辨率。應(yīng)力導(dǎo)致的晶格畸變可以改變電子的能量分布和運動狀態(tài)，減少電子在傳輸過程中的散射，降低噪聲水平。在一些實驗中，通過對SQUID中的FeSe施加應(yīng)力，降低了噪聲本底，提高了信號與噪聲的比值，從而實現(xiàn)了分辨率的提升。在地球物理勘探中，高分辨率的SQUID能夠更精確地探測地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化，為礦產(chǎn)資源勘探和地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測提供更準(zhǔn)確的信息。為了實現(xiàn)通過應(yīng)力調(diào)控提升SQUID性能的目標(biāo)，需要采取一系列具體措施。在材料制備過程中，精確控制應(yīng)力的施加方式和大小至關(guān)重要。利用襯底誘導(dǎo)應(yīng)力時，要精確選擇襯底材料，控制晶格失配程度，確保應(yīng)力均勻分布在FeSe薄膜中。在SQUID的設(shè)計和制造過程中，需要考慮應(yīng)力對器件結(jié)構(gòu)和性能的影響，優(yōu)化器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其能夠更好地適應(yīng)應(yīng)力調(diào)控。在實際應(yīng)用中，還需要實時監(jiān)測和調(diào)整應(yīng)力狀態(tài)，以保證SQUID始終處于最佳性能狀態(tài)。通過采用先進的傳感器和控制系統(tǒng)，實時監(jiān)測SQUID中的應(yīng)力變化，并根據(jù)需要調(diào)整應(yīng)力施加方式和大小，確保SQUID的性能穩(wěn)定可靠。6.2在能源領(lǐng)域的潛在應(yīng)用6.2.1高效超導(dǎo)輸電線路的設(shè)想基于應(yīng)力調(diào)控對薄層FeSe超導(dǎo)性能的提升，將其應(yīng)用于超導(dǎo)輸電線路具有廣闊的前景。在長距離電力傳輸中，傳統(tǒng)輸電線路由于電阻的存在，會導(dǎo)致大量的能量損耗。據(jù)統(tǒng)計，目前全球范圍內(nèi)，傳統(tǒng)輸電線路的能量損耗占總發(fā)電量的相當(dāng)比例，這不僅造成了能源的浪費，也增加了電力傳輸?shù)某杀?。而超?dǎo)材料的零電阻特性，使其在輸電過程中幾乎不產(chǎn)生能量損耗，能夠極大地提高電力傳輸?shù)男?。?yīng)力調(diào)控后的薄層FeSe，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和臨界電流密度等關(guān)鍵性能得到優(yōu)化，為實現(xiàn)高效超導(dǎo)輸電線路提供了可能。通過襯底誘導(dǎo)應(yīng)力或外部壓力施加等方法，提高FeSe薄膜的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，使其能夠在更接近室溫的條件下實現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)，這將大大降低制冷成本，提高超導(dǎo)輸電線路的實用性。通過應(yīng)力調(diào)控提高臨界電流密度，能夠使輸電線路承載更大的電流，滿足日益增長的電力需求。然而，將應(yīng)力調(diào)控下的薄層FeSe應(yīng)用于超導(dǎo)輸電線路，也面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。在材料制備方面，如何大規(guī)模制備高質(zhì)量、性能穩(wěn)定的應(yīng)力調(diào)控薄層FeSe薄膜是一個關(guān)鍵問題。目前的制備技術(shù)，如分子束外延、化學(xué)氣相沉積等，雖然能夠制備出高質(zhì)量的薄膜，但制備過程復(fù)雜、成本高昂，難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求。在輸電線路的設(shè)計和集成方面，需要解決薄膜與襯底、電極等組件之間的兼容性問題，確保在實際運行中，應(yīng)力狀態(tài)的穩(wěn)定性和超導(dǎo)性能的可靠性。由于輸電線路需要承受各種環(huán)境因素的影響，如溫度變化、機械振動等，如何保證在復(fù)雜環(huán)境下，應(yīng)力調(diào)控下的薄層FeSe仍能保持良好的超導(dǎo)性能，也是需要解決的重要問題。針對這些挑戰(zhàn)，可以采取一系列解決方案。在材料制備方面，研發(fā)新的制備技術(shù)，如改進的化學(xué)溶液法、脈沖激光沉積等，以提高制備效率，降低成本。通過優(yōu)化制備工藝，精確控制薄膜的厚度、晶體取向和應(yīng)力狀態(tài)，提高薄膜的質(zhì)量和性能穩(wěn)定性。在輸電線路的設(shè)計和集成方面，采用新型的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高組件之間的兼容性和穩(wěn)定性。研發(fā)與薄層FeSe薄膜兼容性好的襯底和電極材料，采用緩沖層等技術(shù)手段，減少界面應(yīng)力，提高界面的穩(wěn)定性。在應(yīng)對環(huán)境因素影響方面，采用先進的封裝技術(shù)和