南方科技大学“90后”博导陈卓昱联手薛其坤院士，最新Nature！

生命科学前沿 · 公众号 · · 2025-02-19 16:36

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高压下双层镍酸盐超导体的发现为高转变温度(high-TC)超导性开启了新篇章。然而，高压条件和杂质相的存在阻碍了对其超导特性和潜在应用的全面研究。

鉴于此， 南方科技大学陈卓昱副教授与薛其坤院士 报告了 双层镍酸盐外延薄膜中在麦克米兰极限(40K)以上开始的环境压力超导性 。使用巨型氧化原子层外延(GOALL-Epitaxy)在SrLaAlO ₄ 基底上生长三晶胞(3UC)厚的La _2.85 Pr _0.15 Ni ₂ O ₇ 纯相单晶膜。电阻率测量和磁场响应表明起始温度为T _C =45K。零电阻转变表现出与Berezinskii–Kosterlitz–Thouless(BKT)类行为一致的特性，T _BKT =9K。通过互感装置在T _M =8K时观察到迈斯纳抗磁效应，与BKT类转变一致。平面内和平面外临界磁场表现出各向异性。扫描透射电子显微镜(STEM)图像和X射线互易空间映射(RSM)显示， 双层镍酸盐薄膜在NiO ₂ 平面相对于块体~2%相干外延压缩应变下采用四方相。 该研究结果 为在环境压力条件下全面研究镍酸盐超导体以及通过异质结构中的应变工程探索更高转变温度下的超导性铺平了道路 。相关研究成果以题为“Ambient-pressure superconductivity onset above 40 K in (La,Pr)3Ni2O7 films”发表在最新一期《Nature》上。

【超导双层镍薄膜】

作者通过交替激光烧蚀La _0.95 Pr _0.05x 和NiO _x 靶材（该方法不同于标准脉冲激光沉积或分子束外延，因为它在基板附近采用强臭氧通量，在薄膜生长时仔细控制氧化状态），作者在SrLaAlO ₄ 上形成了三晶胞(3UC)双层结构。作为基板会对双层镍酸盐膜施加压缩应变，从而有效地将面内晶格参数降低至约3.75Å（相比于块体的3.83Å）。同时，平面外晶格常数略有扩大，作者怀疑这促进了双层镍酸盐的超导性。文章强调， 在主要生长（在氧气/臭氧混合物中在750°C附近进行）之后，样品在略高的臭氧分压下在575°C下进行后退火步骤 。作者仔细指出， 后退火不会彻底改变晶体结构，但它对于实现最佳超导性至关重要 （即调整氧化学计量或填充氧空位）。强臭氧通量确保了精确的氧化学计量。在臭氧中以575°C进行后退火可进一步优化超导性能。

图1整合了关于超导特性的核心结果。电阻率随温度变化的曲线呈现两步下降趋势。第一次下降开始于45K附近（定义为起始T _C ），而20K附近的低温下降导致电阻为零或接近零，这是无序或超薄系统中二维超导的特征。 14T的磁场实质上抑制了转变，证实了其超导性质 。此外，低于~20K的电阻率分析表明存在类似BKT的转变，产生9K的BKT温度。这个较低的温度反映了全局相位相干性的开始。霍尔测量显示霍尔系数接近于零，这意味着电子空穴补偿和多带传输。

图 1. 超导双层镍薄膜

【磁场响应】

为了确认真正的超导相，作者使用了双线圈互感装置：一个驱动线圈和一个拾取线圈，样品置于两者之间。当样品转变为超导体时，它会部分排出磁场，从而改变拾取线圈的电压。在约 8K 时观察到抗磁屏蔽（迈斯纳效应）的开始，这与从电阻率中提取的 BKT 温度一致。该一致性表明， 尽管配对波动出现在更高的温度下（45K 开始），但全局相位相干性在 8-9K 左右出现 。他们测量不同方向的关键场： 平面外𝐵𝑐⊥Bc⊥显示接近线性的温度依赖性。平面𝐵𝑐∥Bc∥更大，形式与2D Ginzburg–Landau模型一致 。这种明显的取向依赖性是 准二维超导体的特征 。在 14T 下进行的单独角度研究进一步证实了这种二维行为： 测量的转变温度与角度的关系符合 Tinkham 模型，该模型预测当场与薄膜平面完全平行时会出现尖锐的“尖点”。

图 2. 双层镍薄膜的磁场响应

【超导双层镍酸盐薄膜的扫描透射电子显微镜】

高分辨率电子显微镜对于确认没有非预期的RP相或大规模不均匀性至关重要， 大面积高角度环形暗场(HAADF)图像显示均匀的单相膜 。 膜与基底之间有明显的界面，没有明显的共生相 。能量色散X射线光谱证实 Ni保留在膜内，Al保留在基底中 。在第一个晶胞中观察到来自SrLaAlO ₄ 的少量Sr扩散，这可能会稍微掺杂界面区域。但是，它不会破坏整体层结构。作者观察到 (La,Pr)O–NiO ₂ –(La,Pr)O–NiO ₂ –(La,Pr)O单元的重复堆叠，这是双层镍酸盐的特征 。此验证 排除了La ₄ Ni ₃ O ₁₀ 或La ₂ NiO ₄ 等替代相 。此外，电子能量损失谱(EELS)检测到O 𝐾边缘上的预峰，表明 存在有限的p-d杂化。这种强杂化通常与高 T _C 超导性相关的相关电子态的存在相关。

图 3. 超导双层镍薄膜的扫描透射电子显微镜

【双层镍酸盐薄膜的 X 射线衍射 (XRD) 和倒易空间映射 (RSM)】

对于SrLaAlO ₄ 上的3UC La _2.85 Pr _0.15 Ni ₂ O ₇ 薄膜，测得的 平面外晶格常数为20.74Å，比本体长约1% 。同时， 薄膜在平面内被压缩约2% 。Kiessig条纹：主要衍射峰周围的锐利条纹证明表面光滑且厚度均匀（3UC约为6-7nm）。倒易空间图：作者收集了各种基底布拉格峰周围的RSM。所有薄膜和基底都表现出 相同的平面内动量，这意味着薄膜完全相干应变 。这也证实了 四方对称性而不是正交畸变。 通过比较不同的基材（LaAlO ₃ 与SrLaAlO ₄ ）和掺杂水平（La ₃ Ni ₂ O ₇ 与La _2.85 Pr _0.15 Ni ₂ O ₇ ），他们发现 SrLaAlO ₄ 施加了更强的压缩应变，这对于在环境压力下实现高𝑇 _C 超导相至关重要。

图 4. 双层镍薄膜的X射线衍射（XRD）和相互空间映射（RSM）

【总结】

总的来说，这项研究开辟了一条无需高压电池即可研究双层镍酸盐超导性的可行途径。通过利用薄膜工程和掺杂，作者为更多有关镍酸盐超导性基本性质的实验铺平了道路，包括潜在的轨道选择性电子配对和多带费米面。未来的工作可以系统地改变应变、掺杂或薄膜厚度，以将超导转变推向更高的温度。因此，在环境条件下在双层镍酸盐中展示40K以上的稳健超导状态代表着一项关键突破，为揭示此类相关氧化物中高温超导性背后的物理原理提供了一个新平台。

来源：高分子科学前沿

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