南京大学在制备二维超导特性的非层状PdTe材料原子级薄层器件方面取得进展

近日，南京大学原子制造研究院宋凤麒教授、功能材料与智能制造研究院费付聪助理教授，与南京大学电子学院王学锋教授等团队共同合作，在非层状拓扑超导候选材料PdTe的原子级薄层器件的合成方面取得重要进展。研究团队巧妙运用原位电化学插层的方式，利用电动势的驱动，成功将Pd4+离子插入PdTe2的范德华层间，形成均匀分布的Pd原子层，并与近邻的Te形成新化学键。这一创新合成方法实现了从PdTe2到高质量PdTe原子级薄层器件的高效转化。通过电输运测量，研究团队观测到PdTe原子级薄层器件中与块体不同的二维超导特性。该成果不仅为探究PdTe原子级薄层的超导性质奠定了坚实基础，为进一步探索非传统超导体候选材料开辟了新的途径，也为合成非层状材料的原子级薄层提供了一种新途径。相关成果以"On-Device Synthesis of PdTe Thin Flakes with 2D Nature of Superconductivity"为题，于2025年3月13日在线发表于国际知名期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)。

过渡金属硫族化合物（Transition metal chalcogenides, TMCs）近年来因其丰富的物理性质受到广泛关注。PdTe作为TMCs大家族中的一员，最近被证实为狄拉克半金属，并具有潜在的非平庸的超导性质。理解PdTe中表面态费米弧的库珀对机制为拓扑超导体的研究提供了新的视角。因此，通过比较薄层和块体PdTe的输运特性来探索其表面态和体态各自的超导性质具有重要意义。遗憾的是，PdTe是一种非层状三维材料，难以合成为高质量的原子级薄层，目前关于纯PdTe薄层器件的输运测量报道较少。针对上述挑战，研究团队开发了一种电化学原位器件合成PdTe原子级薄层的方法（图1）。首先将PdTe2机械剥离成薄层并通过电子束光刻技术制备成输运器件，随后通过电化学反应，用电动势驱动预先溶解在电解液中的Pd4+离子插入到PdTe2的范德华层间，并排列形成一层均匀Pd原子层。并且每一层插入的Pd原子层均会与相邻的母体材料PdTe2中的Te形成新的化学键，从而将层状PdTe2原位转化为非层状PdTe薄层，最终形成高质量的纯PdTe薄层器件。

图1. 原位电化学合成PdTe薄层器件的示意图。

接着，研究团队对合成后的PdTe薄层进行了表征（图2(a)-(d)），剖面扫描透射电子显微镜(STEM)图像、X射线光电子能谱(XPS)以及拉曼(Raman)光谱均显示PdTe2薄层已经完全转化为高质量的PdTe薄层。输运测量结果显示，56nm厚的PdTe器件的超导临界转变温度约为3.2 K，低于同样电化学方法合成的PdTe块体材料的4.4 K，图2(e)和(f)分别为磁场平行于c轴和平行于ab面时不同磁场下随温度的变化。如图2(g)所示，上临界场随温度变化符合二维Ginzburg–Landau (GL)公式拟合，这表明PdTe薄层具有二维超导特性。同时，其上临界场的大小和各向异性较块体显著增强，进一步表现出明显的二维超导特性（图2(h)）。

图2. 原位电化学合成PdTe薄层器件的表征与输运测量。

南京大学博士生杜钰、周福伟、硕士生张祎颖为该论文的共同第一作者。南京大学费付聪助理教授、王学锋教授和宋凤麒教授为论文的共同通讯作者。南京大学为论文唯一完成单位。该项研究工作得到了国家自然基金委、科技部、江苏省科技厅等的联合资助，同时也得到了固体微结构物理国家重点实验室、原子制造研究院、江苏省光电信息功能材料重点实验室、自旋芯片与技术全国重点实验室和人工微结构科学与技术协同创新中心等研究平台的支持。

全文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202425251