ACS nano:高品質二維超導晶體Mo2C的磁輸運特性—磁阻振蕩效應和負磁阻現象

【背景簡介】

材料牛注：超導現象是指材料在低于某一溫度時，電阻變為零的現象，而這一溫度稱為超導轉變溫度(Tc)。超導現象的特征是零電阻和完全抗磁性，具有超導現象的材料稱作超導材料。超導材料具有的優異特性使它被發現之日起，就向人類展示了誘人的應用前景。超導磁體可用于制作交流超導發電機、磁流體發電機和超導輸電線路等。目前超導量子干涉(SQUID)已經產業化。另外，作為低溫超導材料的主要代表NbTi合金和Nb3Sn，在商業領域主要應用于醫學領域的MRI(核磁共振成像儀)。作為科學研究領域，已經應用于歐洲的大型項目LHC項目，幫助人類尋求宇宙的起源等科學問題。

二維材料的超導特性，不但在維度降低的基礎上有助于對電子相和連續量子相變的基礎理解，而且可以為能效器件的發展帶了新的發展契機。因此，在過去的幾十年間，科學家在二維材料的超導特性方面，做了大量的實驗和理論工作。最近，科學家利用先進的材料生長方法制備出了幾種二維超導材料。此外，科學家發現，一種被改進的離子柵的方法可以引起二維超導材料的超導特性，促使了電場調控材料超導特性領域的發展。

在二維超導體系中，通過對材料厚度、載流子濃度和磁場的調控，材料可以實現從超導態到絕緣態的轉變。有預言稱，在超導-絕緣轉變（SIT）的臨界處，超導序參數的振蕩會增強，并顯著影響材料的輸運特性。在SIT臨界處進行磁輸運測量，顯示出豐富，有趣的量子現象，比如庫伯對絕緣體，負磁阻現象和磁阻振蕩現象等。盡管，在超導薄膜和幾何圖案方面已經做了很多研究工作，目前為止，無序二維超導體系的制備很大程度上阻礙了輸運特性的研究步伐。對純凈無序超導晶體的研究對理解二維視角下超導振蕩的本質有很大的幫助。然而，獲得高品質的，穩定存在于空氣中的二維超導材料是一個令科學家苦惱的難題。

峰回路轉，天道酬勤。具有超導特性的二維過渡金屬碳化物的出現，使得難題得到了解決。近日，北京大學康寧教授和中科院金屬所任文才研究員等人合作，利用化學氣相沉積(CVD)法制備出了高品質的二維超薄α-Mo2C超導晶體。由于在熱學和化學方面出色的穩定性，該材料的超導特性 在外界環境中，具有很高的可重復性和穩定性。這為理解二維超導體系的內在本質和機理提供了一個優質的平臺。

【工作亮點】

這篇文章展現了高品質二維超薄超導α-Mo2C晶體的磁輸運特性。在低于超導轉變臨界溫度Tc和施加較弱磁場的條件下，觀察到了可重復的磁阻振蕩效應，并且磁阻振蕩是磁場的函數。隨著晶體厚度的降低，負磁阻現象在超導態被發現。通過研究發現，這些新奇的行為可以被在SIT臨界處的非均勻相及序參量的量子漲落定量解釋。

【結果與討論】

圖1 超薄α-Mo2C晶體的超導特性。(a)在(Cu/Mo)襯底上Mo2C晶體的光學圖像:薄片的不同對比度區域對應于不同的厚度，薄片顏色與襯底顏色 越接近，表明薄片厚度越小；這些薄片的尺寸在10-20um范圍內，厚度在3-60nm范圍內；(b)上圖：用α-Mo2C晶體制作的器件的AFM圖像，比例尺為2μm；下圖：沿著上圖藍色虛線得到的高度輪廓圖；(c)不加磁場情況下，厚度為7.3nm的Mo2C晶體的薄層電阻隨溫度的變化曲線；插圖是低溫范圍處，該晶體超導轉變的一個擴展視圖：實線是考慮有限尺寸效應的Berezinskii-Kosterlit-Thouless轉變模型的擬合曲線：從圖中可以看出，超導轉變溫度Tc等于3.4K。

圖2 在超導態，磁阻振蕩現象的測量。(a)低于超導轉變溫度（Tc）時，S1樣品在不同溫度下磁阻曲線。(b)在(a)圖中磁阻曲線的放大圖像。在超導狀態和不加磁場的條件下，可以觀察磁阻振蕩效應。為清楚起見，曲線是垂直偏移。垂直虛線用作基準線，便于觀察到磁阻振蕩效應。

圖3 磁阻振蕩效應的分析：(a) 樣品S1的ΔR隨著磁場的變化曲線，可以看出：在低場情況下，磁阻振蕩效應是對稱的，表明該材料磁阻振蕩效應 具有良好的可重復特性；(b) 不同溫度下，ΔR的傅里葉能量譜，可以看出: 2.4和3.6 kO/e是主要頻率，對應著ΔH = 420和270的振蕩周期；主峰位置不隨溫度發生變化，表明對應的磁阻振蕩是準周期性振蕩；(c) 磁阻振蕩效應的ΔR隨溫度的變化曲線，可以看出，這是一個非單調曲線；(d) 對應的Mo2C晶體的AFM圖像，在晶體表面有兩個三角形高臺，尺寸為200nm。

圖4 超導轉變階段，低于Tc的負磁阻現象：(a) 從1.8至3.5K溫度范圍，S2樣品的磁阻曲線；(b) 在低場條件下，磁阻曲線的放大圖像，可以看出：在超導轉變過程的負磁阻現象和磁阻振蕩效應，虛線表示磁阻振蕩。

圖5?磁場引誘下，Mo2C晶體的超導態-絕緣體的轉變。在1.9至2.8K的溫度范圍內，6.7nm厚的Mo2C晶體(樣本S4)的薄片電阻隨磁場的變化曲線：交點表示臨界磁場和臨界電阻。插圖展現了10個不同溫度下，電阻的相對變化。

【結論】

康寧和任文才等人合作研究了二維高品質超薄超導α-Mo2C晶體的磁輸運特性。在低磁場和遠低于Tc的條件下，樣品的磁阻發生了可重復性振蕩現象；并解釋了在Mo2C晶體表面，屏幕電流循環圍繞三角形高臺的振蕩電阻現象。在更薄的晶體中，在低磁場引誘的超導態下，可以觀察到明顯的負磁阻現象，為密度接近超導-絕緣臨界態的超流體存在強烈的相振蕩現象提供了證據。加快了對二維超導材料性質的研究步伐，為超導理論體系的建立提供了強有力的實驗支撐。同時，表明高品質超薄Mo2C晶體為二維超導特性的研究提供了一個非常有希望的平臺。

【備注】

該研究成果近期發表在ACS nano (IF: 12.881) 上，文獻鏈接:Magnetotransport Properties in High-Quality Ultrathin Two-Dimensional Superconducting Mo2C Crystals。

本文由材料人科普團隊學術組靈寸供稿，材料牛編輯整理。

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