Studie zeigt maßgeschneiderte Ising-Supraleitfähigkeit in interkaliertem Bulk-Niobdiselenid

Wenn 2D-Schichtmaterialien dünner gemacht werden (dh auf atomarer Ebene), können sich ihre Eigenschaften dramatisch ändern, was manchmal zum Entstehen völlig neuer Merkmale und zum Verlust anderer führt. Während neue oder aufkommende Eigenschaften für die Entwicklung neuer Technologien sehr vorteilhaft sein können, ist es oft genauso wichtig, einige der ursprünglichen Eigenschaften des Materials beizubehalten.

Forschern der Tsinghua-Universität, der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und des Frontier Science Center for Quantum Information ist es kürzlich gelungen, eine maßgeschneiderte Ising-Supraleitung in einer Probe von interkaliertem Bulk-Niobdiselenid (NbSe2) zu realisieren, eine Eigenschaft von Bulk-NbSe2, die typischerweise atomar beeinträchtigt ist dünne Schichten. Die Methoden, die sie verwendeten, skizzierten in einem Artikel, der in veröffentlicht wurde Naturphysikkönnte den Weg zur Herstellung von zweidimensionalen dünnschichtigen supraleitenden Materialien ebnen.

„Atomdünne 2D-Materialien weisen interessante Eigenschaften auf, die sich oft von ihren Massenmaterialien unterscheiden, die aus Hunderten und Tausenden von Schichten bestehen“, sagte Shuyun Zhou, einer der Forscher, der die Studie durchführte, gegenüber Phys.org. „Allerdings sind atomar dünne Filme/Flocken schwer herzustellen, und die entstehenden neuen Eigenschaften werden manchmal erreicht, indem einige andere wichtige Eigenschaften geopfert werden.“

Zhou und seine Kollegen versuchen seit einigen Jahren, experimentelle Methoden zu identifizieren, um neuartige Eigenschaften zu erzielen, die mit atomar dünnen Proben vergleichbar sind, ohne dass wichtige Materialeigenschaften verloren gehen. In ihrer jüngsten Studie bewerteten sie speziell die Wirksamkeit der elektrochemischen Interkalation, einer wertvollen Strategie zur Abstimmung der elektronischen Eigenschaften von geschichteten festen Materialien.

„Das Schüttgut wird in die ionische Flüssigkeit getaucht, die aus Kationen und Anionen besteht“, erklärt Zhou. „Solche ionischen Flüssigkeiten werden häufig verwendet, um Elektronen in Proben mit wenigen Schichten zu injizieren, während die Ionen in der Flüssigkeit verbleiben. Wir haben herausgefunden, dass durch Anlegen einer größeren negativen Spannung die großen organischen Kationen in den Van der getrieben werden können Waals-Lücke (der leere Raum zwischen den aktiven Schichten, in diesem Fall NbSe2-Schichten), die Hybridmaterialien bilden.“

In ihren Experimenten stellten Zhou und seine Kollegen fest, dass die Interkalation eine effektive Strategie ist, um sowohl die Dimensionalität als auch die Ladungsträgerkonzentration ihrer NbSe2-Schichtprobe zu kontrollieren. Mit dieser Strategie konnten sie eine maßgeschneiderte Ising-Supraleitfähigkeit erreichen, die sowohl die in Bulk-NbSe2-Kristallen als auch in Monoschicht-NbSe2-Proben beobachtete übertraf, jedoch in einer interkalierten Bulk-NbSe2-Probe.

Interkalationsstrategien bestehen im Wesentlichen aus dem Eintauchen eines Schüttguts in eine ionische Flüssigkeit und dem anschließenden Anlegen einer elektrischen Spannung. Dieser Prozess führt zu einer Vergrößerung des Abstands zwischen den aktiven Schichten eines massiven Schichtmaterials, wodurch Wechselwirkungen zwischen ihnen verringert werden.

„Obwohl das interkalierte NbSe2-Material immer noch aus vielen Schichten besteht, verhalten sich seine Eigenschaften ziemlich ähnlich zu denen von einschichtigen NbSe2-Proben“, sagte Zhou. „Insbesondere kann die Supraleitfähigkeit des interkalierten Materials unter einem großen Magnetfeld in der Ebene überleben, aber die supraleitende Übergangstemperatur ist höher als bei Monoschicht-NbSe2. Außerdem können die Kationen Ladungen auf die aktiven Schichten übertragen und als Schutzschichten fungieren, wodurch das Hybrid entsteht an der Luft stabiles Material.“

Während Zhou und seine Kollegen ihre interkalationsbasierte Strategie speziell dazu nutzten, die Eigenschaften einer geschichteten 2D-NbSe2-Probe zu erweitern, könnte die exakt gleiche Strategie auch auf eine breite Palette von geschichteten Materialien angewendet werden, um Eigenschaften zu erzielen, die mit denen von Monoschichtversionen dieser Materialien vergleichbar sind , oder noch besser. Bisher hat diese Methode eine maßgeschneiderte Ising-Supraleitfähigkeit in NbSe2, eine verbesserte Supraleitfähigkeit in Weyl-Halbmetall MoTe2 und einen Übergang von halbleitend zu supraleitend in SnSe2 ermöglicht.

„Unsere Interkalationsmethode ist ziemlich generisch und kann leicht auf eine Vielzahl von Schichtmaterialien und eine große Auswahl an ionischen Flüssigkeiten mit verschiedenen Kationen erweitert werden“, fügte Zhou hinzu. „Daher bietet unsere Arbeit einen wichtigen Weg zur Herstellung von Hybridmaterialien mit abstimmbaren Funktionalitäten, die möglicherweise die Volumenkristalle und Monoschichtproben übertreffen. Neben Supraleitern würden wir diese Strategie gerne auf viele andere Schichtmaterialien anwenden, um faszinierendere Eigenschaften zu erhalten. Wir erwarten diesen Dank zur Interkalation werden bald in einer wachsenden Zahl von Schichtmaterialien faszinierende Eigenschaften ermöglicht, die sowohl Volumenkristalle als auch Monoschichtproben übertreffen.

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