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缪峰课题组与王强华课题组合作报道第二类外尔

发布时间:2019-11-24 15:24编辑:产品评测浏览(166)

    自2004年石墨烯被发现以来,二维材料迅速成为近十多年来凝聚态物理、材料科学和信息科学等领域的研究热点。二维过渡金属硫属化合物由于具有原子层薄的特征以及多样的原子结构和电子能带结构,拥有极其多样的物理特性。众多研究表明金属性TMDCs具有超导性、电荷密度波及外尔半金属性等奇异物理性质,此外他们在改善二维半导体器件接触性能和催化等领域也表现出独特的应用潜力。碲化铂是一种第二类狄拉克半金属材料,被发现具有倾斜的狄拉克锥能带结构。类似于第二类外尔半金属,在特定的动量方向上倾斜的狄拉克锥结构为研究磁各向异性输运性质提供了新的平台。此外,PtTe2具有超强的层间相互作用,可导致众多层数依赖的新奇电学性质。目前对PtTe2的制备主要通过化学气相传输法和化学气相沉积法 ,但所制备的体单晶材料难以通过微机械剥离的方法得到原子层薄的晶体,极大限制了对其奇特物性开展研究。而且,最重要的挑战是无论采用CVT 还是CVD合成方法,都要求很高的温度,如何发现和利用新的合成机制来降低这类TMDCs的生长温度也成为了材料生长领域关注的热点。

    由于拓扑超导体在量子计算中潜在的巨大价值,近年来,全世界的科学家们对寻找潜在的拓扑超导材料表现出极大的兴趣。随着外尔半金属在近几年出现在科学家们的视野,理论预言超导态下的外尔半金属有可能成为拓扑超导的候选材料—外尔费米子的配对会表现出不同于普通BCS配对的性质。其中,与第一类外尔半金属相比,第二类外尔半金属由于拥有倾斜的外尔锥以及在电子空穴口袋边界形成外尔点,理论预言在超导态时,二类外尔半金属会表现出更显著的拓扑超导的性质。二碲化钨作为一种被广泛关注的第二类外尔半金属,研究其超导性质对探索拓扑超导具有重要的意义。然而本征的二碲化钨是非超导材料,如何使其在保持第二类外尔半金属特性的同时实现超导,是当前研究领域的一个重大挑战。

    为了解决上述挑战,本校物理学院、微结构科学与技术协同创新中心的缪峰教授课题组开发出了一种低温共熔合成方法,首次在低温固溶相合成出了大尺寸、厚度在2-200 nm之间的PtTe2单晶。从热动力学角度,高熔点的不同厚度Pt薄膜和过量Te粉混合,在较低温度下可以形成Pt-Te共熔体。然后随着Te元素的不断蒸发,PtTe2析出并成核生长,最终生成PtTe2单晶。由于此低温共熔法整个过程经历了固-液-固三种相,因此又称之为SLS(固-液-固,solid-liquid-solid)法。该技术的开发也受到了上世纪六十年代开发出的、被利用来实现半导体纳米线低温合成的VLS(气-液-固,vapor-liquid-solid)法的启发。

    我校物理学院的缪峰教授课题组之前利用低温电子输运的手段,提供了二碲化钨作为第二类外尔半金属的有力实验证据(Nat. Commun. 2016, 7, 13142)。在此基础上,缪峰课题组近日又首次实验实现了近邻效应诱导的WTe2的超导,在其超导态下观察到了反常的亚带隙输运特征;我校物理学院的王强华教授课题组理论结合实验,理论证明了实验观察到的微分电阻震荡来源于WTe2超导的亚带隙反常特性。需要指出的是,不同于之前人们研究的高压诱导超导,这项工作中近邻效应诱导的二碲化钨超导仍保持了其第二类外尔半金属的特征,为后续研究外尔半金属最终实现拓扑超导奠定了基础。

    缪峰教授课题组进一步利用电子束曝光工艺制备了PtTe2单晶的霍尔器件,并得到了室温下的TMDCs最高的电导率3.3×106S/m。通过低温电子输运研究,首次在所制备的高质量PtTe2单晶中观察到弱反局域化现象。此外,该课题组还开发了一种氩等离子体刻蚀法,通过调控加速电压等参数,实现了对所合成PtTe2体单晶的逐层减薄,最终得到了原子层薄的PtTe2单晶。电学性质测试表明,所制备的原子层薄PtTe2单晶依然保持了超高的电导率,显示出该方法在可控制备不同层数的高质量二维材料方面的优势。

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    图 a)WTe2/NbSe2异质结器件结构示意图;b)WTe2被诱导实现超导;c)微分电阻(dV/dI-Vds)的震荡数据;d)理论计算WTe2超导的亚带隙反常特性。

    图PtTe2单晶的低温共熔法生长机理示意图。所生长的PtTe2单晶的扫描电镜图和平面原子结构示意图。PtTe2原子分辨透射电镜图。PtTe2单晶的变温电学性质,展示出超高的电导率。

    这项工作首先利用二维材料可控转移技术,制备了WTe2/NbSe2范德华垂直异质结。在这个结构中,NbSe2作为超导体,在垂直方向上通过近邻效应诱导实现了WTe2超导,如图b所示,可以根据测量的临界电流证实超导信号来自于WTe2。同时, WTe2在不同偏压下的微分电阻表现出了震荡的趋势,与一般超导体截然不同。对一般超导体,当电流导致超导被破坏时,电阻会从零瞬时变回常值电阻;而对于WTe2,微分电阻的震荡表明其在从超导态到正常态的变化过程中,库珀对的破坏并不是在瞬时发生的,而是一个逐步被破坏的过程。理论计算表明,WTe2被NbSe2诱导超导后,其态密度在超导带隙内是V型的,不同于一般超导体的U型。此外,态密度在带隙内的震荡趋势与实验结果吻合很好,证明了观察到的微分电阻震荡确实是WTe2超导的亚带隙反常引起的独特性质。最后,值得指出的是,除了利用近邻效应,在同样的WTe2体系中实现超导还可能有不同的技术途径,其中包括不久前我校物理学院李绍春教授合作团队提出的碱金属插层的实验手段。

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