中科大吳長征教授ACS Nano：無序增強TaS2單層的超導性

【引言】

在二維(2D)超導系統中，隨著無序的增加，超導性會被抑制甚至消失，所以無序總是不受歡迎的。這種無序可以重整電子-電子之間的相互作用，增強庫侖排斥作用，從而破壞偶聯效應，消除了相位相干性，進而降低了2D超導的脆性。因此，在2D結構中，有吸引力的電子-電子相互作用和增強的無序排斥之間的競爭出現在超導態和絕緣態之間的量子相變(QPT)，臨界轉變溫度(Tc)通常會隨無序而降低。天然2D超導材料獨立的2D特性具有均勻的單層結構，可防止基體和厚度對其的擾動。通過引入固有的結構或化學缺陷，可以很容易地對2D結構進行調制，甚至產生不同的磁性和電子性質，如鐵磁性和金屬-絕緣體躍遷。因此，深入了解天然2D超導結構的出現階段和與內部無序的相關性是非常有吸引力的。然而，如何控制2D晶格框架內的內在紊亂，這是一個不可避免的緊迫挑戰。在這方面，研究無序狀態對超導性能的影響，探索缺陷工程的化學途徑將是一種很有前途的方法。

?【成果簡介】

近日，在中科大合肥微尺度物質科學國家實驗室謝毅院士和吳長征教授（通訊作者）團隊的帶領下，在化學功能化的2H-TaS₂單層中出現異常的增強的超導性，其中結構缺陷可以很好地監測無序程度。通過調節氫氧根(H⁺)濃度，得到結構缺陷可控的TaS₂單層。特別地，在TaS₂單層中發現了一個具有缺陷功能的穹頂狀超導行為，T_c在2.89至3.61K之間變化。與常規2D超導體中的單調遞減相反，TaS₂單層中的Tc在低于臨界缺陷水平時與無序呈正相關。霍爾測量結果表明，T_c增強可歸因于Ta原子缺陷引起的載流子密度的增加，從而導致費米能級狀態密度的增大。當無序變得足夠強時，轉變溫度的降低出現，這可以歸因于結構缺陷增強庫侖排斥。無序的超導調制將有助于研究2D框架中無序與超導的相互作用。相關成果以題為“Disorder Enhanced Superconductivity towards TaS₂?Monolayer”發表在了ACS Nano上。

?【圖文導讀】

圖1.?酸處理剝離表征TaS₂單層

（A）通過1.0?M H⁺剝離的TaS₂單層的HAADF圖像。

（B）TaS₂單層的AFM及相應高度分布。

?圖2. TaS₂單層的無序強度測量

（A-C）分別為用0.1?M，1.0?M和10.0?M H⁺處理的TaS₂單層的原子圖像的FFT。

（D）用不同c（H⁺）剝離的TaS₂單層的孔密度。

?圖3.?TaS₂單層的超導特性

（A）典型的PMMA保護的TaS₂單層器件的光學圖像。

（B）通過1.0M H⁺處理的塊狀2H-TaS₂和單層2H-TaS₂的電阻與溫度的函數。 插圖：塊狀和單層的超導性，R_n是5K時的電阻，虛線表示AL模型。

（C）由1.0M H⁺處理的單層TaS₂的薄膜電阻，作為0至2特斯拉的垂直磁場下的溫度的函數。

（D）由1.0M H⁺剝離的TaS₂單層的面外臨界磁場與溫度的函數。虛線符合標準線性化GL理論。

?圖4.?用梯度c（H⁺）處理的TaS₂單層的超導特性

（A）在0.1至10.0M的c（H⁺）范圍內處理的TaS₂單層的薄膜電阻。

（B）在0.1至10.0M的c（H⁺）范圍內處理的TaS₂單層的歸一化電阻。

（C）TaS₂單層的T_c與c（H⁺）的函數關系。對于小于2.0M的c（H⁺），通過擬合AL模型提取T_c。對于c（H⁺）大于2.0M，T_c是超導的起始溫度。

圖5.?載流子密度及相關化學成分與c（H⁺）的函數

?（A）具有不同c（H⁺）的TaS₂單層的載流子密度。

（B）具有不同c（H⁺）的Ta_xS₂中的Ta含量。

【小結】

總之，團隊報道了2H-TaS₂單層中的無序增強超導性。通過酸處理剝離和調節c（H⁺）達到無序結構可控的TaS₂單層。在化學功能化的TaS₂單層中發現了具有無序功能的穹頂狀超導行為，其載流子密度可以通過不同的無序水平來調節。載流子密度的增加導致了電子-聲子相互作用的增強和費米能量狀態密度的增大，這有助于在相對低的無序強度下T_c增強超導性。無序調制的超導有助于深入了解2D超導強相關系統。

文獻鏈接：Disorder Enhanced Superconductivity towards TaS₂?Monolayer（ACS Nano, 2018, DOI：10.1021/acsnano.8b04718）

本文由材料人編輯部學術組木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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