Scanning Tunneling Microscopy Study on Hybrid Quantum Materials

Abstract

In the first part of this dissertation, I investigate the competition between s-wave superconductivity and the superconductivity in FeSe films. When potassium (K) is deposited on bulk FeSe, the superconducting transition temperature (Tc) increases from 8K to 20K. This enhancement has been attributed to electron doping by K deposition. I grew FeSe films on an s-wave superconductor, lead (Pb), aiming to uncover new phenomena arising from the interplay between high-Tc superconductivity and conventional superconductivity. By depositing K on the FeSe films, I studied the changes in FeSe bands induced by electron doping. In the next section, I report on the Fermi arc states of an electride material. Two-dimensional (2D) electrides can exhibit topologically non-trivial phases due to the intriguing interactions between their cationic atomic layers and anionic electron layers. However, experimental confirmation of topological surface states, which would support their non-trivial bulk topology, remains elusive. Here, I use scanning tunneling microscopy to probe the Weyl states in Gd2C. |본 논문에서는 주사 터널링 현미경 (Scanning Tunneling Microscopy, STM)을 통하여 흥미로운 물리적 특성을 가진 혼합 양자 물질(Hybrid Quantum Materials)에 대해서 연구하였다. 먼저, 전통 초전도체인 납에 고온 초전도체 FeSe 를 성장시켜 두 초전도체의 경쟁에 대한 연구를 진행했다. 납 위에 FeSe 섬을 성장시켰지만 FeSe 고유의 초전도성을 확인하지 못했다. FeSe 의 초전도성을 확인하기 위해 칼륨 (Potassium)을 in-situ 방식으로 증착시켜 초전도 강화를 시도하였다. 하지만 납 위에 성장시킨 FeSe 섬이 칼륨의 증착 효과를 제대로 받지 못해 FeSe 의 초전도 강화가 이뤄지지 않았다. 이를 해결하기 위해 납과 FeSe 섬 사이에 중간층인 PbSe 층을 성장시켜 FeSe 섬이 충분한 증착 효과를 받도록 하였다. PbSe 층의 존재로 인해 FeSe 섬에 칼륨을 증착하면 홀 밴드 위치가 이동함을 확인하였다. 하지만 여전히 FeSe 고유의 초전도성은 확인하지 못했다. FeSe 실험을 진행하면서 성공적인 FeSe 섬 성장을 성공했고, in-situ 증착 방식으로 특정 섬을 추적하며 비교실험을 성공하였다. 두 번째 실험에서는 최근 발견되여 많은 연구가 시작된 전자화합물 Gd2 C 에 대한 연구를 진행하였다. 저온 클리빙을 통해 Gd2 C 의 표면에서 순수 전자층을 최초로 관측에 성공하였고, 순수 전자층의 준입자 간섭 (quasi-particle interference, QPI)을 통해 측정 에너지에 따라 순수 전자층의 간섭 무늬가 바뀌는 것을 확인하였다. 또한 Gd2 C 를 80 K 까지 온도를 올려 순수 전자층을 제거해 Gd 표면을 직접 측정하였다. dI/dV map 을 통해 Gd 표면에서 Fermi arc 의 직접적인 증거를 관측하였다. 이를 통해 주장되어 오던 Gd2 C 의 Fermi arc 의 존재를 주사 터널링 현미경을 통해 확인하였다.