准二维层状材料具有丰富的物理效应，且物理特性紧密依赖于材料的维度及载流子浓度，因此对材料维度及载流子浓度的调控是实现新奇物理效应的重要途径。最近，清华大学物理系周树云及合作者通过在层状材料中嵌入离子液体中的有机阳离子，在二硒化铌（NbSe₂）与有机阳离子形成的复合材料中实现了对材料维度及载流子浓度的双重调控，并且获得比单晶体材料和单层薄膜样品更为优越的超导电性。研究工作以“Tailored Ising superconductivity in intercalated bulk NbSe₂”为题在线发表在Nature Physics期刊，Nature Physics同期刊发了题为“Intercalation tailors superconductors”的News & Views文章推荐该工作。

       层状材料维度的调控具有重要的意义，通过降低材料的厚度实现从三维体材料到二维薄膜材料的转变，可以获得本征体材料所不具备的新奇物理性质。例如，单层NbSe₂薄膜由于破坏了面内中心反演对称性，使得形成超导库伯对的配对电子自旋锁定在垂直平面方向，从而形成具有显著增强且高于传统泡利极限的面内抗磁性的伊辛超导。然而，这些新奇物性的出现，往往是以牺牲其它重要物理特性为代价。例如，单层NbSe₂等金属性二维薄膜在空气中往往不稳定，并且单层NbSe₂与单晶体材料相比超导转变温度更低（从7.0 K下降到低于3.7 K）。因此，寻找材料维度调控的新方法是一个重要的科学问题。

图1：离子液体阳离子插层调控NbSe₂等层状材料维度示意图。(a) NbSe₂结构。(b,c) 通过在NbSe₂层间插入不同尺寸的有机阳离子调控层间距，从而实现材料层间距及层间耦合作用的调控。(d) 有机阳离子结构示意图。

       周树云及合作者独辟蹊径，发展了离子液体阳离子插层方法（见图1）用于调控层状材料的维度及层间耦合作用。近年来，他们将发展的离子液体阳离子插层方法应用于外尔半金属MoTe₂实现对其超导电性和拓扑特性的有效调控（Science Bulletin 65, 188 (2020)；2D Materials 9 045027 (2022)），在半导体材料SnSe₂中通过插层引入了超导电性（2D Materials 8, 015024 (2021)）。最近，他们通过在单晶NbSe₂体材料插入大尺寸的离子液体阳离子，对NbSe₂的维度和超导电性进行了有效调控，获得优于单晶体材料和单层样品的超导电性。结合角分辨光电子能谱测量和输运测量，他们对NbSe₂与有机阳离子形成的复合材料开展研究并揭示了离子插层对其电子结构及超导电性的影响。在电子结构方面，该复合材料具有与单层样品类似的能带结构（图2a），表明阳离子的嵌入有效地调控了材料的维度，使其实现从三维到二维电子结构的转变。此外，费米能处空穴口袋尺寸的变化（图2a中红色和橙色箭头所指）表明嵌入的阳离子有效地调控了材料的载流子浓度。电子结构的变化也伴随着物性的变化，该复合材料不仅具有与单层NbSe₂样品类似的面内强抗磁性的超导电性（图2b），同时还具有优于单层NbSe₂的性质，体现在其超导转变温度显著高于单层NbSe₂样品，并且该复合材料的晶格结构和超导电性在空气中十分稳定（图2c）。这种离子液体阳离子插层的方法对薄层NbSe₂同样有效，并且可以推广到大量二维层状材料。该研究工作表明，离子液体阳离子插层是调控样品的维度和载流子浓度的有效手段，可获得优于单晶体材料和单层薄膜的新物性。

图2： NbSe2与有机阳离子形成的复合材料的新奇物理。(a)角分辨光电子能谱测量显示插层后形成的NbSe2与有机阳离子形成的复合材料的电子结构具有二维特性，其特点是两个黄色箭头之间没有单晶NbSe2对应依赖于层间耦合作用的能带。(b)输运测量结果表明NbSe2与有机阳离子形成的复合材料与单晶体材料相比具有面内强抗磁的超导电性。(c) NbSe2与有机阳离子形成的复合材料在空气中具有较好的稳定性。

       该工作通讯作者为周树云教授，第一作者为2016级物理系博士生张浩雄。合作者包括清华大学物理系于浦教授、段文晖院士、徐勇教授、薛其坤院士、陈曦教授、季帅华教授，清华大学富士康纳米科技研究中心吴扬副研究员以及中国科学院半导体研究所谭平恒研究员等。该研究工作主要受科技部国家重点研发计划（2020YFA0308800, 2021YFA1400100, 2016YFA0301004）、国家自然科学基金重点项目（11725418）和基础科学中心（51788104）的支持。此外，该研究工作还受到科技部（2018YFA0307100, 2018YFA0305603,2021YFE0107900）、国家自然科学基金（21975140, 51991343, 12025405, 11874035,52025024, 51872155）和北京自然科学基金（Z200007）的支持。

       原文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-022-01778-7