南京大学最新Nature Materials:实现大面积精密相变,打开超导与光电应用新大门

一, 科学背景过渡金属硫族化合物(TMCs)的相工程是通过精确调控晶体结构来实现材料性能定制的重要前沿领域. 传统方法主要依靠电子注入或热激活驱动相变, 然而实现对相变过程中原子尺度动力学与结构演化的直接观测仍极具挑战. 非化学计量相变(如通过间隙原子嵌入或空位形成改变组分)为调控TMCs的电子, 超导和拓扑性质提供了新途径, 但其原子尺度演变机制尚不明确. 大面积, 高质量过渡金属单硫族化合物(TMMC)薄膜的制备也因高形成能而困难重重. PdTe作为一种Ⅱ型拓扑狄拉克半金属, 具有高载流子迁移率, 超导性及环境稳定性, 其单硫族类似物PdTe同样表现出拓扑超导特性, 但实现其大面积可控厚度薄膜仍是一个难题. 二, 科学创新今日, 来自南京大学的张荣院士, 王学锋教授团队联合中国科学院大学物理科学学院周武教授, 中国科学院金属研究所杨腾研究员和大连理工大学高峻峰教授. 通过原位扫描透射电子显微镜, 在加热条件下原子尺度地观察了大面积超导PdTe薄膜中的非化学计量相演化过程. 前所未有的, 通过原子重构从PdTe到PdTe的相变得到了证实, 并通过我们的机器学习分子动力学模拟在理论上进行了验证. 特别是, 在相变过程中形成PdTe/PdTe异质结构的中间态, 由于反演对称性破缺, 稳健地产生了巨大的螺旋性依赖性太赫兹发射. 我们的研究结果不仅为理解过渡金属硫族化合物中的原子重构提供了见解, 而且为制造大面积过渡金属单硫族化合物薄膜和异质结构提供了一种通用策略, 可能适用于各种器件应用. 相关成果以“Large-area non-stoichiometric phase transition in transition metal chalcogenide films”为题发表在国际材料领域顶级期刊Nature Materials杂志上. 图1 从PdTe到PdTe的非化学计量相变a, PdTe中热驱动原子重构示意图. 蓝色, 红色和黄色球分别代表Pd原子, 占据范德华间隙的Pd原子和Te原子. b, 从PdTe到PdTe相演化过程(从状态I到状态V)的能量分布理论模拟. c-g, 分别为状态I-V的晶体轨道重叠布居(COOP)计算. 图2 热驱动PdTe到PdTe相变的观察a, PdTe在温度从20°C逐步升至200°C的多步相变过程中的温度-时间曲线. 升温速率设为5°C min1, 达到目标温度后保持20分钟, 使样品在每一温度完成相变. 插图显示了原子结构随温度升高而演变. b-f, 分别在20°C (b), 50°C (c), 100°C (d), 150°C (e) 和 200°C (f) 加热温度下, 从PdTe到PdTe相变的原位STEM观察. 深色区域(底部)代表蓝宝石衬底. 蓝色虚线矩形表示不同加热温度下重构诱导的PdTe区域. 比例尺:2 nm. 图3 晶格膨胀的原子尺度定量显微分析 a-c, 分别取自图2d中红, 橙, 紫色矩形标记区域的PdTe (a), PdTe/PdTe异质结构 (b) 和 PdTe (c) 的STEM图像快照. 连接层内Pd原子的白色虚线说明了Pd原子的演变, 用角度α表示. 层间交替Pd原子距离记为δ_Pd-Pd. 数字1-18代表从左到右的Pd原子. 比例尺:5 . d, e, 分别为PdTe和PdTe的对应快速傅里叶变换(FFT). f, 基于(002)衍射斑的逆FFT得到的PdTe和PdTe的间距. g, h, 分别为PdTe和PdTe沿晶轴面内和面外方向的STEM线轮廓. i, 相变过程中交替Pd原子间距(δ_Pd-Pd)的演变. 图4 通过相工程增强的超导性与巨大螺旋性依赖的太赫兹发射a, 35 nm厚PdTe, 26 nm厚PdTe/PdTe和20 nm厚PdTe薄膜的归一化电阻随温度变化关系. 大写 T 下标 c 定义为正常态电阻的90%, 电阻值以7 K时的值进行归一化. 插图显示了霍尔杆器件结构示意图. b, c, 分别为PdTe和PdTe在零场及不同平行于c轴磁场下纵向电阻随温度的变化. d, 太赫兹发射测量的实验装置示意图. 四分之一波片置于PdTe/PdTe样品前, 通过改变角度θλ来改变垂直入射激光脉冲的偏振. e, 相变示意图, 其中失配位错缓解了因晶格失配产生的应变. 为更清晰显示晶格位错, 仅绘制了Pd原子. f, 拉伸应变下PdTe晶体结构的俯视图. g, 在φ = 0°时, PdTe/PdTe, PdTe和PdTe在右旋圆偏振(RCP)和左旋圆偏振(LCP)激发下的螺旋性依赖太赫兹发射. h, 在φ = 0°和φ = 90°时, 太赫兹峰值振幅随θλ的变化关系, 实线代表拟合结果. i, 从太赫兹发射拟合(如h所示)中提取的归一化拟合参数(C, L_x, L_z 和 D). 三, 科学启示这项工作通过原子尺度的原位观测与理论模拟, 揭示了空位驱动, 原子迁移填充范德华间隙这一相变路径在层状硫族化合物中具有普适性, 深化了对材料相变微观动力学的理解. 更重要的是, 它发展了一种通过可控相工程制备大面积, 高质量过渡金属单硫族化合物薄膜及异质结构的通用策略, 解决了该类材料因高形成能而难以合成的瓶颈. 研究还展示了如何利用异质结界面的晶格失配和对称性破缺来产生新颖的物理效应(如巨大螺旋性依赖的太赫兹发射), 这为设计新型光电子和太赫兹器件开辟了新途径. 同时, 相工程成功地将薄膜的超导性能提升至块体材料的极限, 并保持了优异的器件集成兼容性与环境稳定性, 从而有力地推动了这类材料在电子学, 自旋电子学及未来拓扑量子计算等领域的规模化应用探索. 论文地址: https://www. nature. com/articles/s41563-025-02471-9