单层二硒化铌超导体的常压合成和超导性能

超导是一种宏观量子现象。超导的研究百年有余，新颖的超导材料体系层出不穷，奇异的超导行为不断得到发现，人们对其一直青睐有加。同时，超导材料在能源、医疗、通信等领域具有重要的应用价值。近年来，随着单层FeSe-SrTiO₃体系高温超导的发现，界面超导和超导体-基底相互作用成为超导研究中新的热点。然而，单层超导体的制备需要极其严苛的条件，包括10^-10 Torr的超高真空环境、昂贵的分子束外延（MBE）设备以及特定的单晶基底。

近年来，新加坡南洋理工大学的刘政教授课题组及其合作者在长期研究过渡金属硫属化合物（Transition Metal Dichalcogenides, TMDs）的基础上，通过添加NaCl作为高温化学气相沉积（Chemical vapor deposition, CVD）的促进剂，成功在常压条件下合成了单层和少层二硒化铌（NbSe₂）。单层和少层NbSe₂在空气中的稳定性较差，对其结构和输运性质的表征难度很大。为此，该团队使用单层石墨烯包覆和封装制备的NbSe₂极大地提高了其稳定性。

单层NbSe₂的合成示意图、原子结构及光学显微镜成像。图片来源：Nat. Commun.

日本AIST的林君浩博士使用环形暗场扫描透射电子显微镜（ADF-STEM），首次观察到该单层NbSe₂超导体的原子结构和缺陷形态。结果表明，单层NbSe₂内部的缺陷浓度仅为0.18 nm^-2，揭示了CVD方法可以制备出高晶体质量的单层NbSe₂。

单层NbSe₂内部缺陷的ADF-STEM表征和超导性质。图片来源：Nat. Commun.

中科院物理研究所崔琦实验室的吕力和刘广同博士合作研究了该材料的超导性能。研究表明，在单层石墨烯的封装和保护下，CVD沉积在无定形SiO₂/Si基底上的单层NbSe₂具有超导电性，其临界温度为1.00 K。此外，随着NbSe₂厚度的增加，其超导临界温度逐渐升高，并在10层时达到4.56 K。

不同于MBE对沉积基底的严格要求，CVD方法可以在多种基底（包括非晶SiO₂、石英、石墨烯、BN、SrTiO₃等）上沉积NbSe₂，因而有望用于研究单层NbSe₂-基底相互作用对超导的影响。此外，该工作揭示了单层TMD超导体可以在常压下使用简易的CVD方法制备。该方法有望拓展应用于其他二维超导体（2H-TaS₂、2H-TaSe₂、1T-CuxTiSe₂等）的制备和研究。

这一成果近期发表在Nature Communications 上，文章的第一作者是南洋理工大学的王鸿博士，合作者为日本AIST的林君浩博士以及中科院物理研究所崔琦实验室的吕力和刘广同研究员。

该论文作者为：Hong Wang, Xiangwei Huang, Junhao Lin, Jian Cui, Yu Chen, Chao Zhu, Fucai Liu, Qingsheng Zeng, Jiadong Zhou, Peng Yu, Xuewen Wang, Haiyong He, Siu Hon Tsang, Weibo Gao, Kazu Suenaga, Fengcai Ma, Changli Yang, Li Lu, Ting Yu, Edwin Hang Tong Teo, Guangtong Liu, Zheng Liu

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

High-quality monolayer superconductor NbSe₂ grown by chemical vapour deposition

Nat. Commun., 2017, 8, 394, DOI: 10.1038/s41467-017-00427-5

刘政教授简介

刘政博士，2005年本科毕业于南开大学，2010年毕业于国家纳米科学中心，获得博士学位；2010至2013年在美国莱斯大学Pulickel M. Ajayan教授和Jun Lou课题组从事博士后研究工作；2013年年底以南洋助理教授加入新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院（School of Materials Science & Engineering，Nanyang Technological University）；研究专长：二维材料化学气相合成（CVD）以及相关应用，目前的研究方向为过渡金属化物（Transition Metal Dichalcogenides， TMDs）等二维材料的合成、表征及其在器件/能源等领域的应用；已发表超过170篇文章，包括16篇文章发表于Nature/Science系列期刊，超过50篇文章发表于国际一流期刊（23 in Nano Lett.; 19 in Adv. Mater.; 13 in ACS Nano; 4 in J. Am. Chem. Soc.）；SCI总引用13500余次，h-index为51；已获得美国专利一项、新加坡专利三项，2013年获得新加坡国立研究基金NRF Fellowship。