近日，我系/应用表面物理国家重点实验室李世燕教授课题组与浙江大学合作，借助电输运手段对铁基超导体CsCa₂Fe₄As₄F₂（Cs-12442）和CaKFe₄As₄在不同厚度下进行了系统的研究，发现单层Cs-12442的超导转变温度（T_c）比块材母体降低了20%，相比之下，3层CaKFe₄As₄的T_c比块材母体降低了46%，显示出更显著的维度效应。进一步地，通过比较材料的电阻率各向异性和c方向超导相干长度，研究团队归纳出层状超导体在趋近二维极限下T_c变化的经验规律。相关成果以“Layer-Dependent Superconductivity in Iron-Based Superconductors CsCa₂Fe₄As₄F₂ and CaKFe₄As₄”为题发表在《纳米快报》(Nano Letters 24, 6821−6827 (2024))。李世燕教授与浙江大学曹光旱教授为共同通讯作者，我系博士生孟可、博士后张旭、博士生宋伯钦和浙江大学博士生李佰卓为共同第一作者。

对于三维块材超导体，当其被减薄至趋近二维极限时，人们自然会好奇，这种维度的改变将如何影响超导电性。一般来说，对于常规的层状超导体（例如NbSe₂），随着层数减少，其T_c显著降低，呈现明显的维度效应。然而，对于铜基超导体Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ（Bi-2212），其单层的T_c与块材母体几乎相同，说明Bi-2212本身就具有很强的二维性质。NbSe₂和 Bi-2212在二维极限下的超导行为截然不同，这就提出了一个问题：导致这种迥异的维度效应的原因是什么？值得注意的是，Bi-2212 的二维性质显然与其极高的电阻率各向异性（ρ_c/ρ_ab）有关，其各向异性在10⁵数量级。另一方面，Bi-2212的二维性质还表现在极短的c轴的超导相干长度（ξ_c ≤ 0.6 Å）。相比之下，NbSe₂的各向异性要小数个量级（ρ_c/ρ_ab ~ 10²），而其ξ_c（23 Å）也远高于Bi-2212。这种差异自然引出一个问题：各向异性和相干长度是否可能是影响超导维度效应的关键？如果是，那么各向异性、相干长度与二维极限下的T_c变化之间是否存在确定的关系？

为了解答上述问题，李世燕教授课题组与合作者选取两种密切相关的铁基超导体——Cs-12442和CaKFe₄As₄作为研究对象。这两种超导体具有相同的空穴掺杂浓度，并且T_c均在30 ~ 35 K范围，但二者的各向异性差异明显。Cs-12442体系的各向异性是FeAs超导体中最强的，可达10³量级。作为对比，CaKFe₄As₄的各向异性仅为10¹量级。因此，这两种超导体可以作为研究超导维度效应背后规律的理想候选材料。

图1：(a) Cs-12442的晶体结构示意图；(b) 薄层Cs-12442样品的光学图像，使用光学显微镜透射模式拍摄，不同区域对应的层数已分别标注。(c)使用原子力显微镜扫描的薄层Cs-12442样品表面形貌，扫描区域对应图b中黑色方框所围区域。(d) 图b中不同层数区域的透射率随层数的关系，蓝色直线根据比尔-朗伯定律线性拟合得到。(e) 沿着c图中白色直线读取的高度截面曲线，相邻层之间的台阶高度约为1.6 nm，对应半个Cs-12442原胞的高度。

借助氧化铝辅助机械剥离技术，研究团队首次成功制备出单层Cs-12442和薄层CaKFe₄As₄，并通过研究超导随层数的依赖关系，发现两种材料的维度效应存在显著差异。对于Cs-12442，在厚度减薄的过程中，其T_c起初保持不变；而在4层以下，T_c随层数减少而逐渐降低。进一步研究发现，薄层Cs-12442中存在空穴过掺杂现象。经过离子液体调控以抵消掺杂效应之后，单层Cs-12442的T_c相比块材依然降低了20%，说明其中存在维度效应对超导的影响。而对于CaKFe₄As₄，其5 层、4层和 3 层的T_c相比块材母体分别降低了 14%、22% 和 46%，显示出比Cs-12442更明显的维度效应。

图2：(a) 薄层Cs-12442器件示意图。(b) 单层Cs-12442器件实物图。(c)单层与块材Cs-12442的归一化电阻R/R_{250 K}随温度的变化关系。(d)1 ~ 4层以及块材Cs-12442的归一化电阻R/R_{100 K}随温度的变化关系。可以明显看出，随着厚度减薄至趋近单层极限，Cs-12442的T_c逐渐降低。

图3：(a) 2层Cs-12442的结构示意图，绿色虚线圆圈表示表面Cs原子缺失的情形。(b) 不同厚度Cs-12442的霍尔电阻随磁场的变化关系。(c) Cs-12442的空穴浓度随厚度（层数）的变化关系。(d) 不同调控条件下单层Cs-12442的电阻-温度曲线。可见随着调控进行，单层Cs-12442的T_c逐渐提高。插图为调控器件示意图。(e) Cs-12442的T_c随层数的依赖关系，红色圆圈为未经离子液体调控的结果，蓝色圆圈为经过调控的结果。

图4：(a)薄层CaKFe₄As₄的光学图像，使用光学显微镜透射模式拍摄，不同区域对应的层数已分别标注。(b)图a中不同层数区域的透射率随层数的关系，红色直线根据比尔-朗伯定律线性拟合得到。(c) ~ (f) 3层、4层、5层、6层以及块材CaKFe₄As₄样品的电阻-温度曲线。

结合上述发现，研究团队比较了Bi-2212、Cs-12442、NbSe₂和CaKFe₄As₄四种超导体的T_c随层数的变化关系，发现超导的维度效应与母体材料的各向异性有明确关联。进一步分析认为，这种关联与超导体的ξ_c有关，由此可以得出一条经验性的规律，即-ΔT_c/T_c^bulk∝ log(ξ_c/d_monolayer)。这一经验规律不仅有助于人们深入了解维度的作用，还为探索新的二维超导体提供了指南。在此基础上，人们可以直接预测新的单层超导体的T_c。这对于二维超导体及其异质结的应用有重要意义。

图5：(a) Bi-2212、Cs-12442、NbSe₂、CaKFe₄As₄的薄层T_c与块材母体T_c的比值（T_c/T_c^bulk）随层数的变化关系。(b) 不同层数对应的T_c降低幅度（-ΔT_c/T_c^bulk）与母体材料的各向异性（ρ_c/ρ_ab）的关系。虚线表示大致的变化趋势。(c)薄层超导体的T_c降低幅度（-ΔT_c/T_c^bulk）与ξ_c和单层厚度比值（ξ_c/d_monolayer）的关系。可以看出，对于3层以下情形，-ΔT_c/T_c^bulk与log(ξ_c/d_monolayer)大致呈线性关系，而当层数达到4层后，这种线性关系不再适用。

该项目受到了国家自然科学基金委、科技部、和上海市科委的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c01725