Hiç iki boyutlu süperiletkenleri duydunuz mu?
Yazar: Xiaorui Chun Lu Wen Jian Sun Yuping (Katı Hal Fiziği Enstitüsü, CAS)
1 İki boyutlu süperiletkenlerin araştırma geçmişi ve statükosu
Süperiletkenlik, fizikteki en büyüleyici makroskopik kuantum fenomenlerinden biridir ve zamanla büyüyen bir araştırma alanıdır ve iki boyutlu malzemeler şu anda malzeme araştırmalarının sınırlarıdır. İki boyutlu malzemelerde süperiletkenliğe nasıl ulaşılacağı, bilim adamlarının daha fazla keşfetmeleri için bir yön haline geldi. Son yıllarda grafen, FeSe-SrTiO3, tek katmanlı NbSe2 ve MoS2 gibi birçok iki boyutlu malzemenin süper iletkenliğe sahip olduğu ve bol fiziksel özellikler sergilediği (yük yoğunluğu dalgası (CDW) gibi) bildirilmiştir. , Ising süperiletkenliği, kuantum Griffiths faz geçişi, kuantum metal durumu, vb.). Ek olarak, iki boyutlu süper iletken malzemeler, süper iletken mikro-nano cihazlarda önemli potansiyel uygulamalara sahiptir. Örneğin, iki boyutlu süper iletken malzemeler, daha küçük taşınabilir manyetik rezonans görüntüleyicilerin yanı sıra tek dönüşlü algılama ve kontrol elde etmek için yüksek hassasiyetli minyatür manyetik alan dedektörlerinde kullanılabilir. Zengin fiziksel özellikleri ve potansiyel uygulama değeri nedeniyle, iki boyutlu süper iletken malzemeler, çok fazla ilgi gören süper iletken bir sınır haline geldi.
İki boyutlu süperiletkenlik çalışması tamamen pürüzsüz bir seyir değildir.İki boyutlu malzemelerde süperiletkenliğin olup olmadığı katı hal fiziğindeki en tartışmalı konulardan biri olmuştur. İlk teoriler, filmin kalınlığı azaldıkça, sistemdeki kusurların ve düzensizliğin buna bağlı olarak artacağına, bunun elektronların lokalizasyonuna neden olacağına ve süperiletken Cooper çiftinin faz uyumunu etkileyeceğine inanıyordu. Süper iletkenlik oluşumunu bastırın. Bu nedenle, ilk teoriler ideal iki boyutlu sistemin makroskopik süperiletkenliğe sahip olmadığına inanıyordu. Deneyler açısından, Shal'nikov ilk olarak 1938'de Pb ve Sn filmlerindeki süper iletkenliği rapor ederek ince tabaka süperiletkenliğin tarihini açtı. İlk çalışmalarda, yarı-iki boyutlu süperiletkenlerin çoğu birikmiş metal filmlerden yapılmıştı, bu da birçok düzensiz, amorf veya granüler numuneyle sonuçlandı. Bu nedenle, yarı-iki boyutlu ince film sisteminin süperiletkenliği üzerine yapılan araştırmalar ve gözlemlenen çeşitli fenomenler, malzemenin kendisinin bozukluğundan etkilenir. 21. yüzyılda, malzeme hazırlama teknolojisinin gelişimi, özellikle moleküler ışın epitaksi ve mekanik soyma gibi düşük boyutlu malzeme hazırlama yöntemlerinin sürekli ilerlemesi, iki boyutlu süper iletken malzemelerin kristal kalitesini büyük ölçüde geliştirdi ve iki boyutlu atomik düzeyde kalınlığa ulaşabilir. Süper iletken malzemeler, iki boyutlu süper iletkenlik çalışmasını büyük ölçüde desteklemiştir (Şekil 1).
Şekil 1 İki boyutlu süper iletken malzemelerin araştırma geçmişi
Ortak iki boyutlu malzemelerin (grafen, siyah fosfor, MoS2, vb.) İçsel yarı metal veya yarı iletken özelliklerinden dolayı, süperiletkenlik ancak ayarlanarak sağlanabilir. Şu anda, iki boyutlu malzemelerin süper iletkenliğini kontrol etmenin ana yöntemleri arasında kimyasal adsorpsiyon, stres ve taşıyıcı katkılama bulunmaktadır. Tek eksenli gerilim, elastik alt tabakayı bükerek veya gererek iki boyutlu malzemelere uygulanabilir ve çift eksenli gerilim, piezoelektrik seramikler veya alt tabaka arasındaki kafes uyumsuzluğu kullanılarak sağlanabilir (Şekil 2). Alan etkisi tüpü, iki boyutlu malzemeye safsızlık atomlarını doping yapmadan elektronları veya delikleri enjekte edebilir, malzemeye düzensizliğin girmesini önler ve ayrıca çok "temiz" bir kontrol yöntemidir. Bununla birlikte, geleneksel alan etkili transistörün kontrol yeteneği sınırlıdır ve genel yalıtkan malzemelerinin süper iletkenliğini kontrol etmek yeterli değildir. Son yıllarda, elektrikli çift katmanlı transistörler (EDLT) için deneysel yöntemlerin geliştirilmesi, taşıyıcı konsantrasyonunu büyük ölçüde artırdı (Şekil 3) ve birçok yarı iletken malzemenin süper iletkenliğini düzenleyebilir. İki boyutlu süperiletkenliğin deneysel araştırması malzeme bilimi, cihaz fiziği, alet teknolojisi ve diğer disiplinleri içerdiğinden, deneysel koşulların gerekliliklerinin de çok katı olduğunu ve bu nedenle teorik araştırmanın genellikle deneysel araştırmanın önünde olduğunu belirtmekte fayda var, ki bu aynı değildir. Süperiletkenlerle ilgili çalışmalarda, deneyler genellikle çok farklı durumlarda teoriden önce gelir. Ek olarak, süperiletkenlik ve boyutsallık doğası gereği güçlü bir şekilde ilişkilidir.Birçok yüksek sıcaklıklı süperiletken malzemenin kendileri, bakır bazlı oksit süperiletkenler, demir bazlı süperiletkenler, MgB2 ve grafit interkalasyon süperiletkenleri gibi katmanlı özelliklere sahiptir. Bu nedenle, iki boyutlu süper iletkenlik çalışması, yeni yüksek sıcaklıklı süper iletken malzemelerin keşfi için de çok önemlidir.
Şekil 2 (a) Alt tabakanın bükülmesi ve (b) iki boyutlu malzemeye tek eksenli gerilim uygulamak için alt tabakanın gerilmesi; (c) İki eksenli gerilim uygulamak için piezoelektrik seramiklerin kullanılması
Şekil 3 (a) Geleneksel FET; (b) Elektrikli çift katmanlı FET'in şematik diyagramı
Bu makale, yakın gelecekte teori veya deneyle keşfedilen iki boyutlu süperiletken malzemeleri tanıtmaya odaklanıyor ve bunlardaki fiziksel sorunları kısaca tanıtıyor.
2 Ortak (yarı) iki boyutlu süper iletkenler ve özellikleri
2.1 Grafen
Grafen dünyada keşfedilen ilk iki boyutlu malzemedir ve keşfi, yoğunlaştırılmış madde fiziğindeki birçok temel kavram ve fenomeni anlamamızı bozmuştur. Grafenin Fermi yüzeyine yakın doğrusal dağılım Dirac noktası, durumların elektronik yoğunluğunun sıfır olmasına neden olur ve bu da süperiletkenlik görünmesini zorlaştırır. Bu nedenle, grafeni süperiletkenliğe dönüştürmek önemli bir araştırma yönüdür. Teoride, alkali metallerin grafen üzerine adsorpsiyonu (Şekil 4 (a)), tamamen hidrojene grafende delik katkısı ve stres altında grafenin elektron katkısı gibi birçok çözüm önerilmiştir.
Şekil 4 (a) Grafeni adsorbe eden metal atomlarının yapısı, sarı toplar karbon atomları ve mavi toplar metal elementlerdir; (b) Adsorbe edilmiş Li grafenin ARPES ile ölçülen K noktası yakınında dağılım özellikleri ve karşılık gelen yoğunluğu, 0.9 meV'lik süperiletken enerji boşluğu, yoğunluk uydurularak elde edilir.
Alkali metallerin veya alkali toprak metallerin grafit içerisine girmesi grafiti süper iletken hale getirebilir, bu nedenle alkali metallerin veya alkali toprak metallerin grafen üzerine adsorpsiyonu da deneysel araştırmanın yönüdür. Deneysel olarak, açı çözümlemeli fotoemisyon spektroskopisi (ARPES), Li adsorbe edilmiş grafenin olası 0.9 meV süperiletken enerji boşluğunu gözlemledi (Şekil 4 (b)). Bununla birlikte, bu enerji boşluğunun süper iletken bir enerji boşluğu mu yoksa CDW'nin neden olduğu bir enerji boşluğu mu olduğu hala tartışmalıdır ve hala doğrudan elektriksel taşıma ve manyetik deneysel kanıt eksikliği vardır. Bununla birlikte, interkalasyonlu kalsiyum çift katmanlı grafende (C6CaC6), taramalı tünelleme mikroskobu (STM), ARPES, elektriksel taşıma ve manyetik ölçümlerin tümü 4 K süperiletkenliğin varlığını doğruladı (Şekil 5) . Bununla birlikte, lityum interkalasyonlu çift katmanlı grafende (C6LiC6) süperiletkenlik bulunmadı, bu da süperiletkenlikte interkalasyon elemanlarının önemli rolünü gösteriyor. Grafenin stres kontrolü ve taşıyıcı katkısı altındaki süper iletkenliği daha fazla deneysel doğrulamaya ihtiyaç duyar.
Şekil 5 (a) Li ve Ca ile arakatkılı çift tabakalı grafenin elektrik taşıma eğrisi. Ca-ara katmanlı çift tabakalı grafen süperiletkenliği gösterirken Li interkalasyonunun süperiletkenliği yoktur; (b) Ca interkalasyonu Çift katmanlı grafen ile görüntülenen diyamanyetik sinyal
2.2 Fosforen
Siyah fosfor (BP) ayrıca katmanlı bir yapıya sahip bir malzemedir (Şekil 6 (a)). 2014 yılında tek tabaka siyah fosfor yani fosfenin mekanik sıyırma yöntemi veya sıvı faz sıyırma yöntemi ile elde edildiği bildirilmiştir (Şekil 6 (b), (c)). Grafenin sıfır enerji boşluğu ile karşılaştırıldığında, fosfenin daha büyük bir enerji boşluğu (1.88 eV) vardır ve katman sayısına bakılmaksızın her zaman doğrudan bir bant aralığıdır. Fosforen ayrıca yüksek bir hareketliliğe ve büyük bir anahtarlama oranına sahiptir, bu nedenle ışık algılama ve yarı iletkenler alanında daha geniş bir uygulama yelpazesine sahiptir.
Yarı iletken özelliklerinden dolayı, fosfen süperiletkenliği yapacak şekilde ayarlanması gerekir. Shao ve arkadaşları teorik hesaplamalarla elektron katkılı fosforenin noktasında (Brillouin bölgesinin merkez noktası) fononları önemli ölçüde yumuşatabildiğini buldular ve 1.3 × 1014cm 2 konsantrasyonundaki elektron katkısının fosforun süper iletkenliğini yapabileceğini tahmin ettiler. 2.6 x 1014cm-2 konsantrasyonundaki elektron katkısı, Tc'yi sıvı helyumun üzerinde bir sıcaklığa yükseltebilir.Ayrıca, süperiletkenliğin gerilme stresi ile daha da artırılabileceği önerilmiştir. Daha sonra, diğer teorik çalışmalar siyah fosforda süperiletkenliğin stres ve Li interkalasyon yöntemleriyle elde edilebileceğini öngördü. Deneyler açısından, Saito ve arkadaşları, fosfeni şarj etmek için iyonik sıvı implantasyonu kullandılar ve fosfenin yarı iletkenden metale geçişini buldular, ancak maalesef süper iletkenlik bulamadılar. Bunun nedeni muhtemelen iyonik sıvı enjeksiyon deneyiyle elde edilen taşıyıcı konsantrasyonunun yeterince yüksek olmamasıdır. Zhang ve arkadaşları, 2017 yılında Li, Rb, Cs ve Ca metallerini siyah fosforda başarılı bir şekilde birleştirmek için sıvı amonyak interkalasyon teknolojisini kullandı. Grafitteki interkalasyon metal bileşiklerinden farklı olarak, metal interkalasyonundaki siyah fosforun süperiletken geçiş sıcaklığının interkalasyon atomlarının türlerine duyarlı olmadığını buldular.Tüm siyah fosfor interkalasyon bileşikleri, 3.8 ± 0.1 K süperiletkenlik ve bazik Aynı kritik manyetik alan Şekil 6 (d) ve (e) 'de gösterilmektedir. Buradaki interkalasyon atomları sadece elektron sağlama rolünü oynarlar ve süper iletkenlik tamamen elektron katkılı fosforene atfedilebilir, bu nedenle elektron katkılı fosforenin süper iletken görünebileceğine inanırlar.
Şekil 6 (a) Siyah fosfor kristal yapısı; (b) Fosforen kristal üstten görünüm ve (c) yandan görünüm; (d) Li, K, Rb, Cs ve Ca interkalasyonlu siyah fosfor duyarlılık eğrileri ile sıcaklık, süper İletim geçiş sıcaklığı, interkalasyon atomlarının türlerine duyarlı değildir; (e) Interkalasyonlu siyah fosforun paralel ve dikey kritik manyetik alanları ile sıcaklık arasındaki ilişki, interkalasyonlu örnekler temelde aynı kritik manyetik alana sahiptir.
2.3 Borene
Tek katmanlı temel malzemeleri sentezlemek, iki boyutlu malzeme araştırması alanında her zaman sıcak bir nokta olmuştur. Son zamanlarda, moleküler ışın epitaksi yöntemi kullanılarak, silikon, germanyum ve kalay karbon ailesi elementlerinin tek katmanlı malzemeleri (yani sililen, germanen ve stanen) birbiri ardına sentezlenmiştir. Bununla birlikte, bu alkenler, süperiletkenliğin ortaya çıkması için dezavantajlı olan yarı iletken veya yarı metal özelliklere sahiptir. Öyleyse metalik iki boyutlu bir malzeme var mı? Yıllarca süren teorik ve deneysel araştırmalardan sonra, Mannix ve diğerleri ve Feng ve diğerleri art arda borun tek tabakalı bir malzemesini, yani boreni sentezlediler. Farklı hazırlama koşulları nedeniyle sentezlenen boronenin 3 farklı yapısı vardır (Şekil 7), ancak hepsi metalik özelliklere sahiptir. Üç yapının boronenlerinin hepsinin 10-20 K süperiletkenliğe sahip olduğu tahmin edilmektedir. Bu nedenle, boron, saf elemental iki boyutlu malzemeler arasında en yüksek süperiletken geçiş sıcaklığına sahip malzeme olabilir. Üç tip boren arasında, borenlerin üçgen yapısı (Şekil 7 (a)) tahmin edilen en yüksek süperiletken geçiş sıcaklığına sahiptir. Öyleyse boronun bu yapı ile süperiletkenliği düzenleme yoluyla daha da artırılabilir mi? Xiao ve arkadaşları, üçgen bir yapıya sahip borenin süperiletkenliği üzerine teorik bir çalışma yürüttüler.Hem stres hem de taşıyıcı katkısının borenin süper iletkenliğini kontrol edebileceğine inandılar: çekme gerilimi, süperiletken geçiş sıcaklığını 19.0 K'den artırabilir. 27.4 K ve delik dopingi 34.8 K'ye yükseltilebilir. Üçgen boren (Şekil 7 (a)) da çok güçlü anizotropiye, negatif Poisson oranına sahiptir ve a ekseni boyunca Young'ın grafen modülünü aşabilir. Borenin süperiletkenliği ve kontrol edilebilir özellikleri borenin uygulama alanlarını genişletecektir.
Şekil 7: Deneysel olarak sentezlenen boren yapılarının şematik diyagramı (a) Mannix ve diğerleri tarafından sentezlenen üçgen yapı boreni; Feng ve diğerleri (b) Dikdörtgen ve (c) elmas boren yapısı
2.4 FeSe / STO
2012 yılında Wang ve arkadaşları, bir SrTiO3 (STO) substratı üzerinde tek bir FeSe katmanının yetiştirildiğini ve daha sonra STM kullanılarak yaklaşık 20 meV'lik bir süper iletken enerji boşluğunun gözlemlendiğini bildirdi (Şekil 8 (a) - (c)). Yaklaşık 77 K'lık süper iletken geçiş sıcaklığı, yığının Tc'sine kıyasla 8 kattan fazla artmıştır. Daha tuhaf olan, süperiletken enerji boşluğunun yalnızca tek bir FeSe katmanının yüzeyinde görünmesi ve süperiletken enerji boşluğunun iki katman ve daha kalın FeSe filmlerinin yüzeyinde gözlenmemesidir. Bu araştırmanın sonuçları hızla geniş bir ilgi gördü. Sonraki sıcaklık değişkenli ARPES, taşıma ve manyetik ölçümler süper iletkenliği daha da doğruladı (Şekil 8 (d) - (f)). Bu önemli keşif, insanların FeSe gibi tek katmanlı demir bazlı süperiletkenlerin araştırılmasına olan coşkusunu büyük ölçüde uyandırdı. FeSe tek katmanlı filmlerdeki yüksek sıcaklık süperiletkenliğinin nasıl anlaşılacağı ve süperiletken geçiş sıcaklığının nasıl daha da artırılacağı da bu alandaki araştırma noktalarından biri haline geldi. Mevcut deneysel ve teorik çalışmalar, STO substratlarının tek katmanlı FeSe ve STO fononlarının elektronik katkılama etkisinde önemli bir rol oynadığını göstermiştir, ancak süperiletkenliğin artırılmasının ayrıntılı mekanizması hala tartışmalıdır.
Şekil 8 (a) SrTiO3 substratı üzerindeki FeSe'nin şematik diyagramı; (b) Se'den oluşan FeSe yüzeyini gösteren atomla çözümlenmiş STM görüntüsü; (c) 4.2 K'de taramalı tünelleme spektroskopisi ile tespit edilen 20 meV süperiletken enerji boşluğu ; (D) Manyetik alan ve sıcaklığa bağlı elektriksel taşıma özellikleri. Ekte, 10 T'de taşıma eğrisi gösterilerek tek bir FeSe katmanının 100 K süper iletkenliğe sahip olduğunu belirtir; (e) 95-100 K'da manyetik alanla direnç değişimi Tek bir FeSe katmanının diyamanyetizmasını gösteren ilişki; (f) kritik manyetik alan ve sıcaklık arasındaki ilişki
2.5 Geçiş metali dikalkojenitler
Geçiş metali dikalkojenit bileşikleri de çok dikkat çeken iki boyutlu malzeme ailelerinden biridir Tipik malzemeler arasında MoS2, TaS2 ve WTe2 bulunur. Bu tip malzeme, periyodik tablonun IV-VII gruplarının geçiş metali M ve kalkojen elementi S / Se / Te'den oluşur ve genel kimyasal formülü MX2'dir. MX2 malzemeleri genel olarak katmanlı bir yapıya sahiptir, katman X-M-X'den oluşan sandviç bir yapıdır.Katmanlar zayıf van der Waals kuvveti ile birleştirilir ve katmanlar farklı şekillerde istiflenir. Zengin bir kristal yapı oluşturdu (1T, 2H, 3R fazı gibi). MX2'nin yapısal özelliklerinden dolayı tek bir katman halinde soyulması çok kolaydır. MX2'de 1T-PdTe2, 2H-NbS2, 2H-NbSe2, 3R-NbS2, 4H-NbSe2, 2H-TaS2, 2H-TaSe2 ve 4H-TaS2 gibi birçok içsel süperiletken vardır ve süperiletkenliğe genellikle CDW var.
Şekil 9 (a) 1T-TaS2 kristal yapısı; (b) 13 × 13 CCDW yapı diyagramı; (c) David yıldızı ve CCDW ve NCCDW diyagramları; (d) 1T-TaS2 düzenleme faz diyagramı, gri ve bulanık Altıgen NCCDW'yi temsil eder ve kırmızı, kesin altıgen CCDW'yi temsil eder
MX2'den 1T-TaS2, zengin CDW faz geçişi nedeniyle büyük ilgi gördü. Sıcaklık düştükçe, kütle 1T-TaS2, bozulmamış bir yapıdan hemen hemen kommensal bir CDW'ye (NCCDW), 350 K ve 180 K'da ortak bir CDW yapısına (13 × 13 David yıldız yapısına sahip CCDW) değişir. ), Şekil 9 (a) - (c) 'de gösterildiği gibi, iletkenlik metal durumdan Mott yalıtım durumuna değişir. Harici basınç uygulayarak, Ta bölgesinde Fe katkısı (1T-Fex-Ta1-xS2) veya S bölgesinde belirli bir miktarda Se katkısı yaparak, CCDW etkin bir şekilde bastırılabilir ve CCDW tamamen bastırıldıktan sonra süper iletkenlik ortaya çıkar. NCCDW ile birlikte yaşayın. Bu kontrol yöntemleri altındaki 1T-TaS2, Şekil 9 (d) 'de gösterildiği gibi benzer bir elektronik faz diyagramına sahiptir.
Son yıllarda, CDW ve süperiletkenliğin 1T-TaS2'de şarj dopingi yoluyla düzenlenmesi yeni bir araştırma yöntemi haline geldi. Örneğin, deneysel olarak, geçit voltajı tarafından kontrol edilen Li iyonu interkalasyonu CCDW durumunu bastırabilir ve sonra süperiletken durumunu gösterebilir.Dikey elektrik alanı ayrıca sistemi Mott durumundan metal duruma değiştirebilir.Işık alanı 1T-TaS2'yi CCDW durumundan NCCDW durumuna indükleyebilir. Veya gizli yarı kararlı geçiş (Şekil 10 (a), (b)). Bu kontrol yöntemlerinin arkasındaki fiziksel mekanizma nedir? Shao ve arkadaşları, teorik hesaplamalar yoluyla tek katmanlı 1T-TaS2 katkılı yükü (delikler ve elektronlar) sistematik olarak incelediler ve delik katkısının CCDW'nin enerjisini önemli ölçüde artırabildiğini (Şekil 10 (c)) ve bozulmayan yapıyı oluşturduğunu buldu. Fonon spektrumunun hayali frekansı kaybolur. Bu, NCCDW'nin delik katkılamadan sonra daha kararlı hale geldiğini gösterir. Aynı zamanda, doping sonrası yapı optimizasyonu ve yük transferi de yukarıdaki bakış açısını desteklemektedir. Delik katkısının etkisinin aksine, elektron katkısı CCDW yapısını daha kararlı hale getirir. Bu hesaplama sonucu, tek katmanlı 1T-TaS2'deki ışık alanı ve dikey elektrik alanın deneysel fenomenlerini iyi açıklayabilir. Ayrıca, delik katkısının CCDW sekansını engelledikten sonra 6-7 K süperiletkenliği indükleyebileceğini de tahmin ettiler. Yük katkılama, CDW, Mott yalıtım durumu, metal durum ve hatta 1T-TaS2'deki süper iletken durum arasındaki kontrol edilebilir geçişi gerçekleştirebilir, bu da bu malzemenin elektronik cihazlarda çok geniş bir uygulama olasılığına sahip olmasını sağlar.
Şekil 10 (a) 1T-TaS2'nin CDW alan duvarı, dikey ileri elektrik alanı tarafından açılan delikler tarafından kayboldu; (b) Işık, 1T-TaS2'nin CCDW durumundan NCCDW durumuna veya gizli yarı kararlı duruma geçmesine ve direnci azaltmasına neden olur ; (c) 1T-TaS2'nin CDW enerji bariyerinin şematik diyagramı ve CCDW ve NCCDW'yi veya dikey elektrik alanı ve ışık alanı ile yarı kararlı durumu düzenlemenin şematik diyagramı
Diğer bir tipik CDW malzemesi, 1T-TiSe2, 1T-TaS2'ye benzer şekilde 200 K'de 2x2x2 CDW faz geçişine sahip olacaktır Basınç veya metal atom katkısı CDW'yi inhibe edebilir ve süper iletkenliği indükleyebilir. Seks. 2016'da deneysel çalışmalar, elektron katkısının 1T-TiSe2 nanosheets'te CDW'yi baskılayabildiğini ve taşıyıcı konsantrasyonu arttıkça CDW'nin yavaş yavaş bastırıldığını ve bakır okside benzer bir Dome tipi süperiletken ortaya çıktığını gösterdi. Faz Diyagramları. Wei ve arkadaşları, elektron katkısının, teorik hesaplamalar yoluyla CDW'nin süperiletkenliği tanıtmasını engellediği fiziksel mekanizmayı açıkladı ve delik katkısının aynı zamanda CDW'yi de inhibe edebileceğini ve süperiletkenliği indükleyebileceğini tahmin ettiler. Yığın 2H-NbSe2, 33 K'de 3x3 CDW faz geçişine sahiptir ve NCCDW süper iletkenlikle birlikte bulunur Süperiletken geçiş sıcaklığı Tc ~ 7.2 K, MX2'deki en yüksek değerdir. Deneylerde yıllarca süren çabalardan sonra, tek bir 2H-NbSe2 katmanı nihayet Ugeda ve diğerleri tarafından sentezlendi. 2H-NbSe23 × 3 CDW düzeninin ve süperiletkenliğin iki boyutlu sınırın altında olabileceğini, ancak süperiletken geçiş sıcaklığının 1,9 K'ye düşürüldüğünü buldular. Ek olarak, deneysel olarak, süper iletken Tc'nin çift katmanlı 2H-NbSe2'deki doping delikleri ile geliştirilebileceği bulunmuştur.
Şekil 11 (a) MoS2 şarj dopinginin deneysel kontrolünün şematik diyagramı; (b) MoS2 katkısının elektronik faz diyagramı. N2D'de < Doping konsantrasyonu 6.7 × 1012cm-2, 6.7 × 1012cm-2 olduğunda bir yalıtkandır. < n2D < 6.8 × 1013cm 2, n2D olduğunda metaldir > MoS2, 6.8 × 1013cm 2'de Dome tipi süper iletken geçişe sahiptir
Yığın MoS2, 1,2 eV bant boşluğuna sahip dolaylı bir bant aralığı yarı iletkenidir. Katman sayısı azaldıkça, bant aralığı artar ve tek katmanlı MoS2, 1,8 eV bant aralığı ile doğrudan bant aralığı yarı iletken haline gelir. Bu nedenle, tek katmanlı MoS2, çok Mükemmel fotoelektrik performans. İyonik sıvı enjeksiyon yöntemi MoS2'yi metalik bir duruma kontrol edebilir ve daha sonra süper iletken bir durum olarak görünebilir Süperiletkenlik, doping konsantrasyonuyla değişir (Şekil 11). Genellikle iyon implantasyon derinliği, yüzeyin altında birkaç atomik katmandır, bu nedenle iki boyutlu bir MoS2 süperiletken olarak düşünülebilir. Teorik olarak, bu Dome tipi süperiletken faz diyagramının, elektron katkılamasından sonra farklı yörünge özelliklerinin Fermi yüzey değişikliklerinden kaynaklandığına inanılmaktadır. Ek olarak, tek katmanlı MoS2 ve NbSe2 uzaysal inversiyon simetrisinden yoksundur ve büyük spin-yörünge bağlantısına sahiptir, bu da spin-vadi kilitlenmesine neden olarak düzlem dışı bir Zeeman spin direği oluşturur, Şekil 12 (a) 'da gösterildiği gibi. Vadinin spini, Zeeman tipi spin vadi kilitlemesinin neden olduğu Rashba spin-yörünge kuplajının neden olduğu düzlem içi momentuma bağlı spin polarizasyonundan farklı olan K ve K noktalarında tersine çevrilir (Şekil 12 (b)). Vadi ve vadi arasındaki elektronik eşleşmedir. Bu nedenle, Cooper çiftindeki elektron dönüşleri, yönlerini düzlem dışı yönelimden koruyabilen büyük Zeeman alanı düzlem dışı tarafından polarize edilir.Bu, süper iletkenin düzlem içi manyetik alana karşı çok duyarsız olmasına neden olur ve çok büyük olacaktır. Düzlemdeki üst kritik alan. Aksine, düzlem dışı manyetik alan, Şekil 12 (c) 'de gösterildiği gibi süper iletkenliği kolayca yok edebilir. Örneğin, 1.5 K'da MoS2'nin düzlem içi kritik alanı 52 T'dir ve NbSe2'nin düzlem içi kritik alanı, Pauli paramanyetik sınırını büyük ölçüde aşan, karşılık gelen yığın süper iletken malzemenin üst kritik alanından daha büyük bir büyüklük sırası olan 35 T'dir. Bu nedenle, bu süper iletkene Ising süperiletken adı verilir. Ek olarak, çift katmanlı NbSe2 düzleminin dışında küçük bir manyetik alan uygulamak, süper iletken durumu kolayca yok edebilir ve kuantum metal durumuna girebilir; bu, şarj kontrollü ZrNCl süper iletken durumuna benzer bir manyetik alan altında metal bir duruma dönüşür.
Şekil 12 (a) MoS2'nin K noktasına yakın bant dağılımı ve spin yapısı.Etkili Zeeman alanı nedeniyle, iç ve dış Fermi yüzeyleri yukarı veya aşağı doğru spin polarizasyonuna sahiptir; (b) vadiye bağlı Spin-polarize Fermi yüzeyinin şematik diyagramı, her vadinin spini manyetik alana diktir; (c) Düzlemin içindeki ve dışındaki üst kritik alan ile sıcaklık arasındaki ilişki, düzlemdeki üst kritik manyetik alan, düzlem dışından çok daha yüksektir. Üst kritik manyetik alan
WTe2 ve MoTe2'nin 1T yapısı bozulma eğilimindedir. Bu bozuk 1T yapısı 1T 'yapısı olarak adlandırılır (Şekil 13 (a)) ve kütlenin 1T' fazı yarı metalik özelliklere sahiptir. Son yıllarda, bu iki tür malzemede birçok anlamlı fiziksel fenomen keşfedildi ve MoTe2'nin 2H yarı iletken fazını elde etmek için muazzam ve doymamış manye-direnç etkisi, tip II Weyl yarı metal, ışık ve yük katkısı gibi geniş ilgi gördü. Ve 1T 'yarı metalik faz vb. Arasındaki geçiş. Deneyler, basınç veya katkının süperiletkenliği indükleyebileceğini bulmuştur (Şekil 13 (b)). Ek olarak, bu iki malzeme Weyl yarı metalleridir, bu nedenle bu iki malzemede topolojik süper iletkenlik elde etmek mümkündür. 2014 yılında Qian ve arkadaşları, yapısal bozulma nedeniyle tek katmanlı 1T 'yapısının MX2 (M = W, Mo; X = Te, Se, S) yapısının metal atom d orbitalleri ve kalkojen element p orbitallerinden oluşan bir enerji bandına neden olacağını teorik olarak tahmin etti. Bir tersine dönüş meydana gelir ve spin-yörünge kuplajı enerji boşluğunu açacak ve kuantum spin Hall durumu görünecektir. Yalnızca 1T'-MoTe2 ve 1T'-WTe2 enerji açısından kararlı olduğundan, deneyin odak noktası bu iki malzemedir. Deneyler, katman sayısı azaldıkça, 1T'-MoTe2 ve 1T'-WTe2'nin topludan birkaç katmana metalden yarı iletkene dönüşüm geçireceğini gözlemledi. Son zamanlarda, ARPES ve STM (STS), genel üç boyutlu kuantum kuyulu yarı iletken malzemelerden daha büyük bir büyüklük sırası olan yaklaşık 45 meV'lik bir enerji boşluğuna sahip tek katmanlı bir 1T'-WTe2 gözlemledi (Şekil 13 (c)). 2017'de, tek katmanlı 1T'-WTe2'nin uç durumu da gözlemlendi, böylece kuantum spin Hall durumu nihayet kanıtlandı. MoS2 gibi, şarj dopingi, süper iletkenliği tek bir katmandan veya birkaç kat 1T'-MoTe2 ve 1T'-WTe2'den modüle edebilmelidir ki bu, iki boyutlu malzemelerin topolojik süperiletkenliği çalışması için olumlu bir öneme sahip olacaktır.
Şekil 13 (a) 1T ve 1T 'yapısının şematik diyagramı, 1T' yapısındaki kırmızı ok distorsiyonun yönünü temsil eder; (b) Basınç ve S katkılı 1T'-MoTe2 süperiletken faz diyagramı; (c) Tek katmanlı 1T'- Spin-yörünge bağlaşımı ve deneysel olarak gözlemlenen bant boşluğu nedeniyle WTe2'nin bant boşluğu açılması
3 Özet ve görünüm
İki boyutlu süper iletken malzemeler yalnızca zengin fiziksel içeriğe sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda potansiyel uygulama değerine de sahiptir. İki boyutlu süperiletkenlik araştırmasının tarihi, iki boyutlu malzeme hazırlama teknolojisinin gelişimi ile yakından ilgilidir.Yüksek kaliteli iki boyutlu süperiletken malzemeler, yeni kuantum fenomenlerinin incelenmesi için bir platform sağlar. Bununla birlikte, iki boyutlu süper iletken malzemelerin geliştirilmesi, taşıyıcı katkısının konsantrasyonunun ve homojenliğinin nasıl daha da artırılacağı, süper iletken geçiş sıcaklığının nasıl daha da artırılacağı, çeşitli alt tabakaların seçimi ve malzemelerin kararlılığı gibi bazı zorluklarla karşılaşacaktır. Çözülmesi gereken sorunlar. Teorik araştırma için, iki boyutlu malzemelerin kristal yapısını doğru bir şekilde tahmin etmek, süperiletkenliğin mikroskobik mekanizmasını ve diğer kuantum sıralarıyla olan ilişkiyi netleştirmek ve çeşitli iki boyutlu sistemlerde süper iletkenliği derinlemesine anlamak gerekir. Teori ve deneysel teknolojinin gelişmesiyle birlikte, iki boyutlu süper iletken materyallerde daha ilginç fiziksel fenomenlerin keşfedileceğine inanıyorum.
Bu makale "Physics" Sayı 6, 2018'den seçilmiştir.
