13nm CdTe-HgTe量子阱的压致超导电性.pdf
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1、第 52 卷 第 5 期2 0 2 3年10月Vol.52,No.5Oct.,2 0 2 3上海师范大学学报(自然科学版)Journal of Shanghai Normal University(Natural Sciences)13 nm CdTe-HgTe量子阱的压致超导电性罗永发1,吴延辉1,2,秦晓梅1*(1.上海师范大学 数理学院,上海 200234;2.北京高压科学研究中心(上海分中心),上海 201203)摘 要:研究了13 nm CdTe-HgTe量子阱在高压下的结构和电输运性能,原位高压拉曼测试结果表明:低压时拉曼位移在118 cm-1和138 cm-1处有两个拉曼模式,分
2、别与横向光学声子和纵向光学声子有关.原位高压电输运研究结果表明:13 nm CdTe-HgTe量子阱在4.0 GPa压力下出现了超导现象,超导转变温度(TC)为5.0 K,在9.3 GPa时超导电性消失,继续加压至14.1 GPa时又重新出现超导现象,并且超导电性一直持续到56.2 GPa.关键词:拓扑绝缘体;CdTe-HgTe量子阱;高压;超导电性中图分类号:O 521+.3 文献标志码:A 文章编号:1000-5137(2023)05-0623-07Pressure-induced superconductivity of 13 nm CdTe-HgTe quantum wellsLUO
3、Yongfa1,WU Yanhui1,2,QIN Xiaomei1*(1.Mathematics and Science College,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China;2.Center for High Pressure Science&Technology Advanced Research,Shanghai 201203,China)Abstract:In this paper the structure and electrical transport properties of 13 nm CdTe-HgTe quan
4、tum wells under high pressure are studied.The results of in-situ high pressure Raman spectroscopy show that there are two Raman modes at 118 cm-1 and 138 cm-1 at low pressure,which are respectively related to the transverse optical phonons and longitudinal optical phonons.In-situ high pressure elect
5、rical transport studies indicate that the superconductivity of 13 nm CdTe-HgTe quantum wells emerges at 4.0 GPa,with 5.0 K of the superconductivity transition temperature(TC),which disappears at 9.3 GPa.And the superconductivity appeares again when the pressure is uploaded to 14.1 GPa,and it persist
6、s up to 56.2 GPa.Key words:topological insulator;CdTe-HgTe quantum well;high pressure;superconductivity0 引 言 HgTe是量子自旋霍尔效应和器件研究中的一种传统且具有良好应用前景的材料,二维HgTe量子DOI:10.3969/J.ISSN.1000-5137.2023.05.012收稿日期:2023-08-25基金项目:国家自然科学基金(52172005)作者简介:罗永发(1998),男,硕士研究生,主要从事二维材料在高压下的输运性能方面的研究.E-mail:*通信作者:秦晓梅(1968)
7、,女,副教授,主要从事功能材料在高压下的物性方面的研究.E-mail:引用格式:罗永发,吴延辉,秦晓梅.13 nm CdTe-HgTe量子阱的压致超导电性 J.上海师范大学学报(自然科学版),2023,52(5):623629.Citation format:LUO Y F,WU Y H,QIN X M.Pressure-induced superconductivity of 13 nm CdTe-HgTe quantum wells J.Journal of Shanghai Normal University(Natural Sciences),2023,52(5):623629.202
8、3年上海师范大学学报(自然科学版)J.Shanghai Normal Univ.(Nat.Sci.)阱是最早被发现并在实验中证实的具有拓扑性质的材料1-2.典型的拓扑材料包括拓扑绝缘体和拓扑半金属,拓扑绝缘体由于其独特的电子结构和拓扑保护表面性质,自2007年被发现以来一直受到学术界的广泛关注3-8.在一些二维体系中,由于自旋-轨道耦合,显示出不同于量子霍尔效应的量子自旋霍尔效应,新的拓扑物态被称为二维拓扑绝缘体,其拓扑性质受时间反演对称性保护.后来,时间反演不变的拓扑绝缘体从二维体系拓展到三维体系,其中研究较多的包括Bi2Se3、Bi2Te3和Sb2Te3等5,9.将拓扑分类从绝缘体拓展到无
9、能隙体系,便得到新一类拓扑材料拓扑半金属,包括狄拉克半金属(DSM)、外尔半金属(WSM)和节线半金属(NLSM)等,如图1所示10.高压技术是以压力手段研究高压下物质的物理性质变化的技术,金刚石对顶砧(DAC)技术的发明11使得在高压下研究材料的性质成为可能.DAC作为探索物质在高压下物性变化的有利工具,其中一个重要的原因是金刚石具有良好的光透过性,适合做测量窗口.它不仅可以通过光学显微镜观察样品在压力下的形貌变化,还可以进行多种光谱学测量研究,如高压拉曼散射、高压红外光谱、高压紫外光谱等.而且金刚石是最硬的物质,对上下两颗金刚石施加压力使得中间样品腔中产生大压力时不会损坏金刚石.一些常压下
10、的非超导体在高压下具有了超导电性,H3S在高压下的超导转变温度(TC)是迄今为止被证实的最高TC 12-13.高压技术也被广泛用于探索拓扑材料的超导电性.2010年,美国普林斯顿大学Cava教授的研究组14报道了在有 Cu 原子掺杂的 Bi2Se3中发现了超导现象,预示着拓扑超导体的存在.2013 年,KIRSHENBAUM等15对单晶Bi2Se3进行了同步低温电阻率和霍尔效应测量,观察到在压力达到11 GPa后材料出现超导性,随着压力增加到30 GPa时,TC和上临界场HC2分别达到最大值7 K和4 T,TC的异常压力依赖性表明Bi2Se3中存在非常规的压力诱导配对状态,这在拓扑超导体中是独
11、一无二的.HgTe的基本性质(包括结构稳定性、导电特性和能带结构)复杂而富有变化,常压下HgTe是空间群为F43m的闪锌矿(ZB)结构,在高压下,HgTe的相变路径为闪锌矿结构朱砂相结构岩盐型结构Cmcm/-Sn结构体心立方结构.对于不同结构,HgTe导电性质经过半金属半导体金属甚至到超导的转变4,16-20.2022年,本课题组LI等21首次报道了400 nm HgTe单晶薄膜在高压下的超导电性,并观察到了其拓扑表面态.HgTe量子阱尺寸在临界厚度(dc=6.3 nm)以上才具有拓扑性2,高压下的超导电性是否也和薄膜厚度有关?因此,本文研究了13 nm HgTe-CdTe量子阱在高压下的结构
12、和电输运性能,以进一步探究HgTe的拓扑超导机理.1 实 验 1.1原位高压拉曼光谱原位高压拉曼测试中的DAC是常规的Symmetric cell,并选择300 m金刚石台面.装样前将不锈钢垫片进行预压,预压的厚度比样品略厚.然后利用激光打孔装置在预压的垫片的压痕中心处打出一个圆孔,作为样品腔.将打好孔的垫片利用超声波清洗,清洗干净后将其复位到金刚石上进行装样.样图1正常金属和三种拓扑半金属(DSM、WSM、NLSM)的能带结构示意图(EC为费米能级)624第5期罗永发,吴延辉,秦晓梅:13 nm CdTe-HgTe量子阱的压致超导电性品放入样品腔后,往样品腔中滴入一滴硅油作为传压介质,再点上
13、一颗Ruby用于压力标定,装样完成后在显微镜下合上压机,确保硅油充满了样品腔,并且样品、Ruby都在其腔内,随后微微拧上螺丝,锁住硅油,进行标压.每一次加压后都要进行标压,最后将样品在Renishaw in Via显微拉曼光谱系统上进行测试,激光器的激发波长为532 nm,聚焦至直径10 m的光斑,光栅为2 000 lines/mm,测试区间为100400 cm-1.1.2电输运测试电输运测试时选择尺寸更小的BeCu压机进行实验,BeCu压机对温度变化较为敏感,垫片选择不带磁性且硬度更高的铼片,预压步骤同上,然后进行装样和电极铺设.首先将整个垫片的表面以及侧棱都涂上一层薄薄的绝缘胶,确保电极不
14、会和垫片导通,在做好绝缘的垫片上布置好4根金线,固定后进行打孔,孔里的绝缘材料用立方氮化硼(CBN),之后做外接电极.在样品腔中滴入硅油,将准备好的样品缓慢地放进样品腔中,并使样品上的电极和CBN上的金线接触良好.在另一个台面放上Ruby,在显微镜下缓慢地合上压机,用加压螺丝加压并保证硅油不会漏出.使用万用表连接外接电极,保证两两电极之间都是相互导通且大小均为同一数量级.装样完成后将BeCu cell放入DynaCool无液氦式综合物性测量系统(PPMS)中,电阻测量采用范德堡法.利用PPMS的BRT组件进行电输运性能测试,温度测量区间是2300 K,磁场测量区间是-55 T,其中,通道1和通
15、道2测量电阻,通道3测量霍尔效应.2 结果与讨论 2.1CdTe-HgTe量子阱结构图2为13 nm CdTe-HgTe量子阱的结构示意图,上面一层为30 nm的CdTe薄膜,中间一层为13 nm的HgTe薄膜,下面一层是2.6 m的CdTe薄膜.对量子阱进行电输运测试时,在顶层搭设的电极能够实现与中间层HgTe薄膜的欧姆接触并进行电输运性能测试.实验中在顶层薄膜的4个边缘部分搭了4个电极,用范德堡四电极法测试13 nm CdTe-HgTe量子阱在高压下的输运性质.2.213 nm CdTe-HgTe量子阱的结构变化13 nm CdTe-HgTe量子阱在高压条件下,会经历丰富的结构相变.室温下
16、13 nm CdTe-HgTe量子阱的原位高压拉曼光谱如图3所示.图3(a)和3(b)中拉曼位移在100400 cm-1出现4个峰值,测试压力达到25.8 GPa.从图3(a)和3(b)中可以清楚地看到,当压力逐渐增大时,拉曼位移逐渐增大,并且4个拉曼光谱峰值随压力增大变得更加清晰.由图3(c)可知,低压下13 nm CdTe-HgTe量子阱在118 cm-1和138 cm-1处有两个拉曼模式,与400 nm HgTe单晶薄膜很好地对应21,分别与横向光学声子和纵向光学声子有关.当施加的压力达到2.5 GPa时,出现第3种拉曼振动模式5,其匹配400 nm HgTe单晶薄膜朱砂相(相).图21
17、3 nm CdTe-HgTe量子阱结构示意图6252023年上海师范大学学报(自然科学版)J.Shanghai Normal Univ.(Nat.Sci.)2.3 13 nm CdTe-HgTe量子阱的电输运性能13 nm CdTe-HgTe量子阱在室温下的电阻率压力曲线如图4所示,结果与常温下400 nm HgTe单晶薄膜的电阻率-压力变化曲线基本一致,表明量子阱中可能发生的现象与HgTe材料有关21.如图5所示,低压时量子阱的电输运测试结果表明:当压力高于1.8 GPa时,13 nm CdTe-HgTe量子阱的电阻率急剧增加,此时量子阱进入朱砂相(绝缘).图3 13 nm CdTe-HgT
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