任文才&康宁 ACS Nano: 石墨烯/二维α-Mo2C垂直异质结构

【引言】

近年来，研究人员致力于开发石墨烯之外的其他新型二维晶体材料及其垂直异质结构，拓展二维材料的物性和应用。过渡金属碳化物(TMCs)是一大类具有新奇特性和应用的材料家族，它结合了陶瓷和金属的特性，在电子、催化、储能等领域有着广泛的应用。高质量二维TMCs的制备是研究其在二维极限下新物理和新物性的基础，然而现有化学刻蚀方法制得的二维TMCs存在大量的缺陷和官能团，且其最大尺寸仅约 10 微米。任文才课题组曾于Nature Materials（2015, doi:10.1038/nmat4374）上报道以铜/钼双金属叠片作为生长基底，在熔融液态铜表面通过化学气相沉积（CVD）法来制备大尺寸高质量的超薄二维α-Mo₂C晶体，并对其结构、基本的电学性质和低温超导行为进行了系统的研究。

【成果简介】

近日，中科院金属所任文才研究员与北京大学康宁副研究员（共同通讯作者）合作在ACS Nano上发表文章“Strongly Coupled High-Quality Graphene/2D Superconducting Mo₂C Vertical Heterostructures with Aligned Orientation”。作者发展了两步CVD法制备高质量石墨烯/二维 α-Mo₂C晶体垂直异质结构。通过调控铜基底的厚度和生长温度，实现了对异质结构的形核密度和尺寸的控制。研究发现，石墨烯与二维α-Mo₂C晶体的界面存在很强的耦合作用， 产生了不均匀的压应力畴区。低温输运性质研究发现，这种强耦合导致异质结构表现出区别于其他石墨烯/超导异质结构的独特超导转变相图，在转变区出现了多个电压台阶。基于这种强耦合的高质量异质结构，还制备出高透明的Josephson结器件，观察到清晰的磁场诱导的临界超电流的 Fraunhofer图案。

【图文导读】

图1. CVD法直接生长石墨烯/二维α-Mo₂C晶体异质结构

A-C) 两步法CVD生长过程示意图

D) 每一阶段对应样品的光学照片

图2. 石墨烯/二维 α-Mo₂C 晶体垂直异质结构的表征

A) 转移至SiO₂/Si基体上的石墨烯/六边形二维α-Mo₂C晶体垂直异质结构光学照片

B-D) 分别为A中对应的二维 Mo₂C 晶体的峰（~140 cm^-1）以及石墨烯的G峰和2D峰的

Raman强度面扫图像

E-H) 分别为三角形、六边形、八边形及九边形二维α-Mo₂C晶体与石墨烯形成的异质结构的明场TEM照片，图中标尺为 200 nm

I-L) 为对应二维α-Mo₂C晶体（E-H）区域内的SAED图案

M) 石墨烯/二维α-Mo₂C晶体异质结构的原子结构，其中绿色球代表Mo原子，粉色球代表

Mo₂C中的C原子，黑色蜂窝晶格代表石墨烯

N) 异质结构中二维α-Mo₂C晶体的原子级分辨率的HAADF-STEM像

图3. 石墨烯/二维α-Mo₂C晶体垂直异质结构强的界面耦合作用

A) 分别为纯二维α-Mo₂C晶体、 B中石墨烯（黑色圆圈）及异质结构（红色圆圈）的Raman光谱

C-D) 分别为B中对应的石墨烯的G峰和2D峰的峰位mappings; (B-D)中标尺为 5μm

图4. 石墨烯/二维α-Mo₂C晶体垂直异质结构的低温输运性质

A) CVD法生长的石墨烯/二维α-Mo₂C晶体异质结构器件在不同温度下的V-I曲线，水平蓝色箭头所指的是多重电压平台，右下方的插图为耗散分支的扩展视图，更清晰地给出了超导转变区的多重电压平台，左上方插图为典型的四端器件的 SEM 照片。其中石墨烯/二维α-Mo₂C晶体异质结构的轮廓由虚线所绘，该图中的标尺为5μm

B) 异质结构器件在不同温度下在超导转变区被扩展的 V-I 曲线，插图为二维α-Mo₂C晶体器件在9 K温度下的V-I曲线

C-D) 分别为CVD生长石墨烯/二维α-Mo₂C晶体异质结构C和纯二维α-Mo₂C晶体D在150mK温度下的微分电阻dV/dI的二维彩图，为偏置电流I和施加磁场B的函数。白色虚线为I_c的磁场演化的向导

图5. 基于二维α-Mo₂C晶体-石墨烯-二维α-Mo₂C晶体的约瑟夫森结

A) 以石墨烯作为弱连接的基于石墨烯/二维α-Mo₂C晶体异质结构的约瑟夫森结器件的横截面示意图

B) 代表性器件的着色 SEM 照片。黄色的为异质结构，蓝色为Ti/Au电极，石墨烯结为紫色

C) Mo₂C/G/Mo₂C结在不同温度下的的V-I特征曲线

D) 穿过该结的微分电阻dV/dI的二维彩图，为偏置电流I和施加磁场B的函数，测量温度为100 mK。深蓝色区域对应零电阻态，临界电流I_c，由虚线所表示

【小结】

本文采用两步 CVD 法生长出高质量石墨烯/二维α-Mo₂C晶体垂直异质结构，避免了两种组元的竞争式生长，显著提高了结构的可控性。发现异质结构中石墨烯位于二维α-Mo₂C晶体的上方，表明二维α-Mo₂C晶体是以界面生长的方式形成在石墨烯的下表面；石墨烯与二维α-Mo₂C晶体的界面处存在强的耦合和不均匀压应力畴区，从而导致其二维超导相图与单独二维α-Mo₂C晶体有明显区别，其低温输运的 I-V曲线在转变区出现多个电压台阶。文章的第一作者为金属所徐川博士和北京大学宋爽同学。

【文献链接】Strongly Coupled High-Quality Graphene/2D Superconducting Mo2C Vertical Heterostructures with Aligned Orientation（2017，ACS Nano，DOI: 10.1021/acsnano.7b01638）

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