二維半導體材料由於具有高電子遷移率和易於調控等潛在應用價值而廣為關注。Bi2O2Se是這一領域內最近受到關注的一種材料，它具有空氣中穩定、遷移率高、能隙適中（~0.8 eV）、自旋軌道耦合強等優點。目前，大面積的單層和多層Bi2O2Se薄膜已經被成功合成，且在場效應管、光電電晶體等電子學和光電子器件中顯示出優越特性。然而，Bi2O2Se還存在著一維納米線形態。相比於二維薄膜形態，納米線形態由於具有大的表面體積比，將可能展現出更奇特的性質。同時，基於這種強自旋軌道耦合材料構建超導複合器件，預期可實現拓撲超導態。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心固態量子信息與計算實驗室Q02組的博士生應江華在屈凡明特聘研究員和呂力研究員的指導下，觀測到了Bi2O2Se納米線的相干表面態，並在基於Bi2O2Se薄膜的約瑟夫森結中實現了對超流的開關控制和對超流空間分布的調控。該研究團隊利用化學氣相沉積方法生長了高質量的Bi2O2Se納米線和薄膜，並分別製備了正常金屬電極和超導電極。在Bi2O2Se納米線器件中，低溫輸運展現出電阻隨沿納米線軸向磁場的周期振蕩，且該振蕩能被門電壓調製。該結果表明納米線中存在著相干的表面態，並形成了一維子能帶。態密度計算結果與實驗數據符合得很好，同時排除了通常認為的Aharonov-Bohm幹涉機制。該工作是與物理所楊槐馨研究員合作完成的，發表在Phys. Rev. B 100, 235307 (2019)。
最近，該團隊還利用Bi2O2Se薄膜製備了基於超導近鄰效應的約瑟夫森結器件。通過門電壓調控，成功實現對超流幅度的完全調節，即超流的開和關。更有意思的是，通過分析磁場中超流的衍射和幹涉行為，他們發現超流的空間分布也可被門電壓調控。超流大時，體超流佔主導；超流小時，邊緣超流佔主導。據此，他們在同一器件中同時實現了對超流幅度和空間分布的調製。此外，理論預期Bi2O2Se薄膜的表面態與最外層原子是Bi或Se有關，這也提供了更豐富的可能性。該工作是與南京大學王學鋒教授、南開大學曹學偉教授合作完成的，發表在Nano Lett. 20, 2569 (2020)。
上述工作得到科技部、國家自然科學基金委、中科院B類先導專項、北京市科委、國防科大和北京量子信息科學研究院的資助。
圖1. （a）Bi2O2Se納米線器件示意圖。（b）AFM圖。（c）電阻隨磁場和門電壓的雙調製。（d）c圖的二階微分，展示振蕩信息。
圖2. （a）Bi2O2Se約瑟夫森結在不同門電壓下的超流衍射和幹涉圖。（b）相應門電壓下提取的超流空間分布。
文章連結：
https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.100.235307https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c00025
編輯：他和貓
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.