Advanced Materials:掺硒二碲化钼薄膜样品中发现的结构相变与超导增强

二维过渡金属硫族化合物中的强自旋—轨道耦合作用与结构的多样性导致众多新奇的物理现象。比如单层2H相中的伊辛(Ising)、单层1T’相中的量子自旋霍尔效应(QSHE)以及少层Td相中的非线性霍尔效应与非对称性自旋—轨道耦合作用(Asymmetric SOC)等。有趣的是,在二维过渡金属硫族化合物中这些结构相之间可以通过温度、电场、厚度以及组分等的调控而相互转化。人们自然要问能否在同一种材料体系中同时实现量子自旋霍尔效应与S波超导电性。如果答案是肯定的,那么人们梦寐以求的本征拓扑超导就可以在同一种材料中实现了,这无疑会大大加快拓扑量子计算的研究步伐。

有鉴于此,中国科学院物理研究所吕力研究员团队的刘广同研究员和博士生李沛岭等在Se掺杂的MoTe2薄膜样品中开展了上述研究。他们利用新加坡南洋理工大学刘政课题组周家东博士生长的高质量MoSexTe2-x样品,经过拉曼(Raman)测试以及X射线光电子能谱(XPS)的分析表征,证实了通过控制硒化物与碲化物前驱体的比例可以实现对Se掺量的精确控制。他们进一步同南方科技大学林君浩教授合作,利用透射电子显微镜(TEM)证实了随着Se掺量的增加,在该体系中成功实现了从Td相到1T’相再到2H相之间的连续转变。最后他们结合电学输运测量的手段证实了体系的确从金属性导电行为过渡到了半导体导电行为,伴随着载流子浓度的显著降低(两个量级)与室温面电阻的剧烈上升(五个量级),意味着体系发生了从Td/1T’相到2H相的转变。更重要的是,他们发现,随着Se掺量的增加(从x=0到x=1),系统的超导转变温度从2.1 K增加到了3.6 K,表现出显著的超导增强现象。通过对德拜温度、电声耦合强度以及上临界磁场对温度的依赖关系的分析,表明它与S+-配对的超导序引起的两带超导图像吻合。这很有可能来源于掺Se引入的化学压力导致的能带变化,这种新型超导序的引入还有待更深入的研究。

该工作勾画出了掺硒二碲化钼的相图,并结合其中的两带超导给出了该体系可能出现非常规超导的证据,并指出了参数范围,为下一步的工作指明了方向。相关论文以“Phase Transition and Superconductivity Enhancement in Se‐Substituted MoTe2 Thin Films”为题,在线发表在Advanced Materials (DOI:10.1002/adma.201904641) 上。