掃描隧道顯微鏡下的單層Bi-2212 （張遠波課題組供圖）

銅基超導(dǎo)體是一種優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)電材料。迄今為止，人類已經(jīng)合成數(shù)十種銅基超導(dǎo)體。它們雖組分有別，超導(dǎo)臨界溫度也各不相同，卻都具有相似的層狀原子結(jié)構(gòu)。為什么高溫超導(dǎo)體紛紛選擇層狀結(jié)構(gòu)？如果將這些層狀銅基超導(dǎo)體減薄至二維極限，其是否仍具備相同的高溫超導(dǎo)特性呢？

近日，復(fù)旦大學物理學系張遠波課題組的一項研究給出了答案。歷時4年，該團隊首次獲得了二維極限下的單層銅基超導(dǎo)體的導(dǎo)電數(shù)據(jù)，證明其具有與塊體銅基超導(dǎo)體相同的超導(dǎo)特性。10月31日，該項研究在線發(fā)表于《自然》雜志。

銅基超導(dǎo)體的超導(dǎo)臨界溫度達到零下139℃。自上世紀90年代，一直保持著常壓條件下超導(dǎo)臨界溫度的記錄。目前已知，銅基超導(dǎo)體具有相似的層狀原子結(jié)構(gòu)，它們的核心結(jié)構(gòu)皆由銅氧面和由其它原子構(gòu)成的平面經(jīng)層層交替堆疊而成。銅基超導(dǎo)體的導(dǎo)電特性是否與其結(jié)構(gòu)有關(guān)呢？

張遠波課題組從一種具有代表性的銅基超導(dǎo)體——鉍鍶鈣銅氧（Bi-2212）出發(fā)，以氧化硅為襯底，成功得到大面積單層Bi-2212單晶。然而在對單層樣品的研究上遭遇瓶頸，不得不展開一場“攻堅戰(zhàn)”。

原來，塊體的Bi-2212在大氣環(huán)境下非常穩(wěn)定，而單層Bi-2212卻是一種對大氣及環(huán)境溫度極其敏感的材料。痕量水就會完全破壞其晶體結(jié)構(gòu)，使其發(fā)生不可逆的變質(zhì)；略微的加熱就會使其結(jié)構(gòu)中用來提供超導(dǎo)所需的載流子的間隙氧揮發(fā)，而逃離晶體。

目前的加工手段中，Bi-2212均不可避免地需要經(jīng)過液相化學環(huán)境處理，或經(jīng)歷不同程度的加熱，因此，制備單層Bi-2212晶體猶如天方夜譚。

歷時一年多的試錯，最終，該團隊探索出一套制備單層Bi-2212輸運器件的完整方案。在電極的制備過程中，研究團隊摒棄了可能造成失氧的常規(guī)真空鍍膜技術(shù)，自主開發(fā)微電極冷焊技術(shù)，將銦/金箔電極在低溫下直接與薄層樣品接合，并且所有的制備都在零下40℃的惰性氣體環(huán)境中完成。

利用這一方案，單層Bi-2212單晶中的高質(zhì)量超導(dǎo)轉(zhuǎn)變第一次展現(xiàn)在團隊眼前。在測量過程中，團隊又通過對單層樣品進行原位的退火調(diào)控其載流子濃度，在單層樣品中得到相圖，完美復(fù)現(xiàn)了塊體材料的相圖。實驗發(fā)現(xiàn)，單層Bi-2212在最佳摻雜狀態(tài)下的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與塊體材料的數(shù)據(jù)相比幾乎完全一致，差別在實驗誤差范圍之內(nèi)。

在充分理解了單層Bi-2212的變質(zhì)機制后，團隊進一步對單層銅基超導(dǎo)體進行了掃描隧道顯微學和譜學研究，而這也并非易事。掃描隧道顯微鏡對于樣品質(zhì)量的要求非?？量?，為此，研究人員對已有實驗設(shè)備進行了改裝和升級，將單層樣品的制備工藝拓展到超高真空環(huán)境中，使樣品質(zhì)量得到了進一步提升。

結(jié)合輸運和掃描隧道顯微學及譜學數(shù)據(jù)，該團隊發(fā)現(xiàn)，二維極限下的單層Bi-2212相圖中的超導(dǎo)態(tài)、贗能隙態(tài)、電荷密度波態(tài)、以及模特絕緣態(tài)也都與塊體行為保持一致。這一結(jié)論為高溫超導(dǎo)的二維理論模型和既有高溫超導(dǎo)塊體材料表面研究的有效性提供了更加堅實的實驗基礎(chǔ)，并拓展了有關(guān)二維材料研究的視野。

文章來源：科學網(wǎng)