二维超导Mo2C中超高浓度磁性掺杂以及宏观尺度近藤效应

来源：X一MOL资讯

二维材料存在空间对称破缺以及强的量子涨落，其对掺杂等调控手段十分敏感。二维超导体中的磁性元素能够引起多种量子现象，包括Yu-Shiba-Rusinov态、长程磁量子态和原子尺度上磁性与超导间的竞争等。近年来，超导-磁性相结合的体系中发现的拓扑超导和马约拉纳零能模更是备受关注。然而，以往对二维超导体中磁性掺杂的研究主要基于二维超导体表面的局部磁原子掺杂，如何在二维材料中实现大面积均匀且高浓度的替代型掺杂仍存在很大的挑战。

图1.（a）生长在Cu/Mo衬底上的二维 α-Mo2C的光学显微镜图像；（b）二维 α-Mo2C的低倍HAADF-STEM图像；（c）二维 α-Mo2C原子级分辨的HAADF-STEM图像；（d）不同温度下的电流-电压特性曲线；（e）通过关系式V∝Iα推导出的幂指数α和温度的关系。拟合得到的BKT转变温度为TBKT ≈ 2.86 K；（f）电阻和温度关系拟合得到TBKT ≈ 2.85 K。图片来源：Nat. Mater.

2015年，中国科学院金属研究所任文才课题组发明了双金属基体化学气相沉积（CVD）方法，合成出系列大尺寸高质量的二维过渡金属碳化物晶体（图1a-c）。他们进一步与北京大学康宁课题组合作开展了二维Mo2C的低温输运研究，观察到了Berezinskii-Kosterlitz-Thouless相变等二维超导特征（图1d-f）。随后，华中科技大学潘明虎课题组利用扫描隧道显微镜（STM）在某些条件下生长的二维Mo2C中观察到了规则的空位缺陷，并利用扫描隧道谱（STS）技术发现了由缺陷导致的局域Tc增强效应（图2）。

图2.（a）二维 α-Mo2C不同堆垛方式在STM形貌图中的体现；（b）样品表面规则的空位缺陷；（c）扫描隧道谱中超导能隙特征的温度演化行为。图片来源：Nano Lett.

最近，任文才课题组又进一步提出了多金属基体CVD方法，采用Cu/Cr/Mo三层基底，生长出磁性原子Cr替代掺杂的二维Mo2C，并且通过改变Cr金属层的厚度实现了对Cr掺杂浓度的大范围有效调控（图3）。例如，在Cr层厚度为6 nm、12 nm、25 nm、50 nm和100 nm条件下，Cr替代掺杂比例分别为2.7、9.4、16.1、40.9和46.9%。磁性元素Cr掺杂的均匀性和掺杂浓度的大范围可调性，为在宏观尺度研究和调控二维Mo2C中超导和近藤效应（Kondo Effect）之间的竞争提供了可能。

图3.（a）Cr掺杂二维α-Mo2C的生长过程示意图；（b）使用不同厚度Cr层生长产物的EDS谱、以及对应的Cr替代掺杂比例；（c）Mo和Cr元素对应的EDS mapping图。图片来源：Adv. Mater.

他们与康宁课题组和潘明虎课题组合作对二维超导Mo2C的磁性掺杂特性进行了系统研究。在宏观（介观）电输运实验中（图4a）观察到了近藤效应，而且在一定掺杂范围内，近藤温度随掺杂浓度的增加而升高。此外，在极低温0.4 K下STS在空间上的演化过程中（图4b,c），可以清晰地看到超导和近藤共振态在微观尺度上的竞争关系。而随着温度提高以及掺杂浓度的增加，在整个样品中表现出来连续的近藤共振态（图4d），这明显不同于以往在磁性原子周边所发生近藤效应的情况。

图4.（a）近藤效应在输运实验中的体现；（b，c）0.4K温度下超导和近藤共振态在微观尺度上的竞争；（d）高掺杂样品中空间连续的近藤共振峰。图片来源：Adv. Mater.

与传统的掺杂方法不同，多金属基底CVD方法可以精细控制二维材料的掺杂水平而不改变其原有的晶体结构，为其他相关二维材料的生长与掺杂提供了借鉴。