準(zhǔn)二維層狀材料具有豐富的物理效應(yīng),且物理特性緊密依賴于材料的維度及載流子濃度,因此對材料維度及載流子濃度的調(diào)控是實現(xiàn)新奇物理效應(yīng)的重要途徑。最近,穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置(SHMFF)用戶清華大學(xué)物理系周樹云及合作者通過在層狀材料中嵌入離子液體中的有機(jī)陽離子,在二硒化鈮(NbSe2)與有機(jī)陽離子形成的復(fù)合材料中實現(xiàn)了對材料維度及載流子濃度的雙重調(diào)控,并通過SHMFF所屬水冷磁體WM5證實了該復(fù)合材料可以獲得比單晶體材料和單層薄膜樣品更為優(yōu)越的超導(dǎo)電性。研究成果以“Tailored Ising superconductivity in intercalated bulk NbSe2”為題在線發(fā)表于Nature Physics期刊,同期刊發(fā)了題為“Intercalation tailors superconductors”的News & Views文章推薦該工作。
層狀材料維度的調(diào)控具有重要的意義,通過降低材料的厚度實現(xiàn)從三維體材料到二維薄膜材料的轉(zhuǎn)變,可以獲得本征體材料所不具備的新奇物理性質(zhì)。例如,單層NbSe2薄膜由于破壞了面內(nèi)中心反演對稱性,使得形成超導(dǎo)庫伯對的配對電子自旋鎖定在垂直平面方向,從而形成具有顯著增強且高于傳統(tǒng)泡利極限的面內(nèi)抗磁性的伊辛超導(dǎo)。然而,這些新奇物性的出現(xiàn),往往是以犧牲其它重要物理特性為代價。例如,單層NbSe2等金屬性二維薄膜在空氣中往往不穩(wěn)定,并且單層NbSe2與單晶體材料相比超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度更低(從7.0 K下降到低于3.7 K)。因此,尋找材料維度調(diào)控的新方法是一個重要的科學(xué)問題。

圖1. 離子液體陽離子插層調(diào)控NbSe2等層狀材料維度示意圖。(a) NbSe2結(jié)構(gòu)。(b,c) 通過在NbSe2層間插入不同尺寸的有機(jī)陽離子調(diào)控層間距,從而實現(xiàn)材料層間距及層間耦合作用的調(diào)控。(d) 有機(jī)陽離子結(jié)構(gòu)示意圖
周樹云及合作者獨辟蹊徑,發(fā)展了離子液體陽離子插層方法(見圖1)用于調(diào)控層狀材料的維度及層間耦合作用。近年來,他們將發(fā)展的離子液體陽離子插層方法應(yīng)用于外爾半金屬MoTe2實現(xiàn)對其超導(dǎo)電性和拓?fù)涮匦缘挠行д{(diào)控,在半導(dǎo)體材料SnSe2中通過插層引入了超導(dǎo)電性。
最近,他們通過在單晶NbSe2體材料插入大尺寸的離子液體陽離子,對NbSe2的維度和超導(dǎo)電性進(jìn)行了有效調(diào)控,獲得優(yōu)于單晶體材料和單層樣品的超導(dǎo)電性。結(jié)合角分辨光電子能譜測量和輸運測量,他們對NbSe2與有機(jī)陽離子形成的復(fù)合材料開展研究并揭示了離子插層對其電子結(jié)構(gòu)及超導(dǎo)電性的影響。如圖2所示,插層NbSe2與單晶NbSe2具有相似的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度,然而插層后樣品的面內(nèi)抗磁性(圖2e)比單晶NbSe2(圖2f)顯著增強。基于SHMFF所屬水冷磁體WM5開展的強磁場輸運測量結(jié)果(圖2g)表明,插層NbSe2的面內(nèi)上臨界磁場高于25 T,呈現(xiàn)出類似單層NbSe2的伊辛超導(dǎo)。在電子結(jié)構(gòu)方面,角分辨光電子能譜實驗結(jié)果顯示該復(fù)合材料具有與單層樣品類似的能帶結(jié)構(gòu),表明陽離子的嵌入有效地調(diào)控了材料的維度,使其實現(xiàn)從三維到二維電子結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。此外,費米能處空穴口袋尺寸的變化表明嵌入的陽離子有效地調(diào)控了材料的載流子濃度。插層NbSe2不僅比單晶插層NbSe2具有更高的面內(nèi)上臨界磁場,還具有優(yōu)于單層NbSe2的性質(zhì),體現(xiàn)在其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度顯著高于單層NbSe2樣品,并且該復(fù)合材料的晶格結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)電性在空氣中十分穩(wěn)定。這種離子液體陽離子插層的方法對薄層NbSe2同樣有效,并且可以推廣到大量二維層狀材料。該研究工作表明,離子液體陽離子插層是調(diào)控樣品的維度和載流子濃度的有效手段,可獲得優(yōu)于單晶體材料和單層薄膜的新物性。

圖2.插層NbSe2與未插層NbSe2超導(dǎo)電性的對比。 (a,c,e,g) [C2MIm]+插層NbSe2的超導(dǎo)電性及對磁場響應(yīng)。(b,d,f) 未插層NbSe2的超導(dǎo)電性及對磁場響應(yīng)。(h) 插層NbSe2樣品與未插層NbSe2樣品的上臨界磁場隨溫度的依賴關(guān)系
該工作通訊作者為周樹云教授,第一作者為2016級物理系博士生張浩雄。合作者包括清華大學(xué)物理系于浦教授、段文暉院士、徐勇教授、薛其坤院士、陳曦教授、季帥華教授,清華大學(xué)富士康納米科技研究中心吳揚副研究員以及中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所譚平恒研究員等。