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【材料】二维超导Mo2C中超高浓度磁性掺杂以及宏观尺度近藤效应

二维材料具有空间对称性破缺和强量子涨落,对掺杂和其他控制措施敏感。二维超导体中的磁性元素可以引起许多量子现象,包括于-柴犬-鲁西诺夫态、长程磁性量子态以及原子尺度上磁性与超导性的竞争。近年来,在超导磁系统中发现的拓扑超导和零能模式引起了人们的广泛关注。然而,以往对二维超导体中磁掺杂的研究主要是基于二维超导体表面的局域磁原子掺杂。如何在二维材料中实现大面积均匀、高浓度的替代掺杂仍然是一个巨大的挑战。

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图1。(1)生长在铜/钼衬底上二维-Mo2C的光学显微镜图像;二维-Mo2C低功率HAADF-STEM图像;二维-Mo2C原子分辨率HAADF-STEM图像;不同温度下的电流-电压特性曲线;(e)功率指数和温度之间的关系由关系式V I导出。拟合得到的BKT转变温度为2.86。(f)通过拟合电阻和温度之间的关系,得出总温差 2.85 K。图片来源:Nat。马特。

2015年,搜狗网的研究小组发明了双金属化学气相沉积法,并合成了一系列大尺寸、高质量的二维过渡金属碳化物晶体(图1a-c)。他们进一步与搜狗网的研究小组合作研究二维Mo2C的低温输运,并观察了二维超导特性,如Berezinskii-Kosterlitz-Thouless相变(图1d-f)。随后,搜狗网的研究小组利用扫描隧道显微镜(STM)观察了在一定条件下生长的二维Mo2C中的规则空位缺陷,并利用扫描隧道光谱(STS)发现了由缺陷引起的局部Tc增强效应(图2)。

图2。2D -Mo2C不同叠加模式在扫描隧道显微镜形貌中的体现;样品表面经常出现空位缺陷;扫描隧道光谱中超导能隙特性的温度演化行为。图片来源:纳米列特。

最近,的研究小组进一步研究了。例如,当铬层的厚度为6纳米、12纳米、25纳米、50纳米和100纳米时,铬的取代掺杂比为2.7、9.4、16.1、40.9和46.9%。磁性元素铬掺杂的均匀性和掺杂浓度的大尺度可调性使得在宏观尺度上研究和控制二维Mo2C中超导性和Kondo效应之间的竞争成为可能。

图3。掺铬二维-Mo2C生长过程示意图;(2)不同厚度铬层生长产物的能谱及相应的铬替代掺杂比例;(3)钼和铬元素对应的能谱图。图片来源:Adv. Mater。

他们与康宁课题组、潘课题组合作,对进行了系统的研究。在宏观(介观)电输运实验中观察到了近藤效应(图4a),在一定的掺杂范围内,近藤温度随着掺杂浓度的增加而升高。此外,在0.4 K极低温度下空间STS的演化过程中(图4b,c),我们可以清楚地看到超导和近藤共振态在微观尺度上的竞争关系。然而,随着温度和掺杂浓度的增加,在整个样品中出现连续的近藤共振态(图4d),这明显不同于以前围绕磁性原子的近藤效应。

图4。近藤效应在输运实验中的体现;超导共振态和近藤共振态在0.4 K微观尺度上的竞争;高掺杂样品中的空间连续近藤共振峰。图片来源:Adv. Mater。

与传统的掺杂方法不同,多金属衬底上的化学气相沉积方法可以在不改变二维材料原有晶体结构的情况下,精细控制二维材料的掺杂水平,为其他相关二维材料的生长和掺杂提供参考。

这部作品最近在中国科学院金属研究所任文才出版。本文的第一作者是中国科学院冶金研究所的北京大学康宁博士,北京大学的华中科技大学潘明虎博士和安徽大学的提出了多金属基体CVD方法,采用Cu/Cr/Mo三层基底,生长出磁性原子Cr替代掺杂的二维Mo2C,并且通过改变Cr金属层的厚度实现了对Cr掺杂浓度的大范围有效调控博士是合著者。中国科学院冶金研究所的二维超导Mo2C的磁性掺杂特性研究员、北京大学的Advanced Materials教授和陕西师范大学的徐川教授是本文的作者。

宏观Kondo效应下2D Mo2C超导体中的超高均匀磁Cr替代

、张宗元、刘志波、力、潘、程惠明、任

板牙。刘震,DOI: 10.1002/adma.202002825

导师介绍

潘明虎

https://www.x-mol.com/university/faculty/49891

https://www.x-mol.com/groups/ren_wencai

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