ACS nano:高品质二维超导晶体Mo2C的磁输运特性—磁阻振荡效应和负磁阻现象

【背景简介】

材料牛注：超导现象是指材料在低于某一温度时，电阻变为零的现象，而这一温度称为超导转变温度(Tc)。超导现象的特征是零电阻和完全抗磁性，具有超导现象的材料称作超导材料。超导材料具有的优异特性使它被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导输电线路等。目前超导量子干涉(SQUID)已经产业化。另外，作为低温超导材料的主要代表NbTi合金和Nb3Sn，在商业领域主要应用于医学领域的MRI(核磁共振成像仪)。作为科学研究领域，已经应用于欧洲的大型项目LHC项目，帮助人类寻求宇宙的起源等科学问题。

二维材料的超导特性，不但在维度降低的基础上有助于对电子相和连续量子相变的基础理解，而且可以为能效器件的发展带了新的发展契机。因此，在过去的几十年间，科学家在二维材料的超导特性方面，做了大量的实验和理论工作。最近，科学家利用先进的材料生长方法制备出了几种二维超导材料。此外，科学家发现，一种被改进的离子栅的方法可以引起二维超导材料的超导特性，促使了电场调控材料超导特性领域的发展。

在二维超导体系中，通过对材料厚度、载流子浓度和磁场的调控，材料可以实现从超导态到绝缘态的转变。有预言称，在超导-绝缘转变（SIT）的临界处，超导序参数的振荡会增强，并显著影响材料的输运特性。在SIT临界处进行磁输运测量，显示出丰富，有趣的量子现象，比如库伯对绝缘体，负磁阻现象和磁阻振荡现象等。尽管，在超导薄膜和几何图案方面已经做了很多研究工作，目前为止，无序二维超导体系的制备很大程度上阻碍了输运特性的研究步伐。对纯净无序超导晶体的研究对理解二维视角下超导振荡的本质有很大的帮助。然而，获得高品质的，稳定存在于空气中的二维超导材料是一个令科学家苦恼的难题。

峰回路转，天道酬勤。具有超导特性的二维过渡金属碳化物的出现，使得难题得到了解决。近日，北京大学康宁教授和中科院金属所任文才研究员等人合作，利用化学气相沉积(CVD)法制备出了高品质的二维超薄α-Mo2C超导晶体。由于在热学和化学方面出色的稳定性，该材料的超导特性 在外界环境中，具有很高的可重复性和稳定性。这为理解二维超导体系的内在本质和机理提供了一个优质的平台。

【工作亮点】

这篇文章展现了高品质二维超薄超导α-Mo2C晶体的磁输运特性。在低于超导转变临界温度Tc和施加较弱磁场的条件下，观察到了可重复的磁阻振荡效应，并且磁阻振荡是磁场的函数。随着晶体厚度的降低，负磁阻现象在超导态被发现。通过研究发现，这些新奇的行为可以被在SIT临界处的非均匀相及序参量的量子涨落定量解释。

【结果与讨论】

图1 超薄α-Mo2C晶体的超导特性。(a)在(Cu/Mo)衬底上Mo2C晶体的光学图像:薄片的不同对比度区域对应于不同的厚度，薄片颜色与衬底颜色 越接近，表明薄片厚度越小；这些薄片的尺寸在10-20um范围内，厚度在3-60nm范围内；(b)上图：用α-Mo2C晶体制作的器件的AFM图像，比例尺为2μm；下图：沿着上图蓝色虚线得到的高度轮廓图；(c)不加磁场情况下，厚度为7.3nm的Mo2C晶体的薄层电阻随温度的变化曲线；插图是低温范围处，该晶体超导转变的一个扩展视图：实线是考虑有限尺寸效应的Berezinskii-Kosterlit-Thouless转变模型的拟合曲线：从图中可以看出，超导转变温度Tc等于3.4K。

图2 在超导态，磁阻振荡现象的测量。(a)低于超导转变温度（Tc）时，S1样品在不同温度下磁阻曲线。(b)在(a)图中磁阻曲线的放大图像。在超导状态和不加磁场的条件下，可以观察磁阻振荡效应。为清楚起见，曲线是垂直偏移。垂直虚线用作基准线，便于观察到磁阻振荡效应。

图3 磁阻振荡效应的分析：(a) 样品S1的ΔR随着磁场的变化曲线，可以看出：在低场情况下，磁阻振荡效应是对称的，表明该材料磁阻振荡效应 具有良好的可重复特性；(b) 不同温度下，ΔR的傅里叶能量谱，可以看出: 2.4和3.6 kO/e是主要频率，对应着ΔH = 420和270的振荡周期；主峰位置不随温度发生变化，表明对应的磁阻振荡是准周期性振荡；(c) 磁阻振荡效应的ΔR随温度的变化曲线，可以看出，这是一个非单调曲线；(d) 对应的Mo2C晶体的AFM图像，在晶体表面有两个三角形高台，尺寸为200nm。

图4 超导转变阶段，低于Tc的负磁阻现象：(a) 从1.8至3.5K温度范围，S2样品的磁阻曲线；(b) 在低场条件下，磁阻曲线的放大图像，可以看出：在超导转变过程的负磁阻现象和磁阻振荡效应，虚线表示磁阻振荡。

图5 磁场引诱下，Mo2C晶体的超导态-绝缘体的转变。在1.9至2.8K的温度范围内，6.7nm厚的Mo2C晶体(样本S4)的薄片电阻随磁场的变化曲线：交点表示临界磁场和临界电阻。插图展现了10个不同温度下，电阻的相对变化。

【结论】

康宁和任文才等人合作研究了二维高品质超薄超导α-Mo2C晶体的磁输运特性。在低磁场和远低于Tc的条件下，样品的磁阻发生了可重复性振荡现象；并解释了在Mo2C晶体表面，屏幕电流循环围绕三角形高台的振荡电阻现象。在更薄的晶体中，在低磁场引诱的超导态下，可以观察到明显的负磁阻现象，为密度接近超导-绝缘临界态的超流体存在强烈的相振荡现象提供了证据。加快了对二维超导材料性质的研究步伐，为超导理论体系的建立提供了强有力的实验支撑。同时，表明高品质超薄Mo2C晶体为二维超导特性的研究提供了一个非常有希望的平台。

【备注】

该研究成果近期发表在ACS nano (IF: 12.881) 上，文献链接:Magnetotransport Properties in High-Quality Ultrathin Two-Dimensional Superconducting Mo2C Crystals。

本文由材料人科普团队学术组灵寸供稿，材料牛编辑整理。

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