近日，南京大学现代工程与应用科学学院聂越峰教授课题组结合氧化物分子束外延（OMBE）技术与水溶性牺牲层辅助的高效转移方法，首次成功制备出高质量的自支撑无限层镍基超导薄膜。自支撑薄膜具有优异的晶格调控自由度，可实现远超单晶块体和外延薄膜所能达到的应变调控范围，且可通过转角异质堆叠构筑新体系，为研究镍氧化物的超导特性和揭示其高温超导机理提供了新的机遇。
无限层镍氧化物超导体作为一种新型非常规高温超导体系，具备与铜氧化物高温超导体相似的晶格及电子结构，为揭示非常规高温超导机理提供了重要的新材料体系。然而，无限层镍基超导相目前只在外延薄膜中被观测到，且超导薄膜的制备极具挑战。需要首先制备高质量钙钛矿前驱相(RNiO3)，再通过化学拓扑还原移除顶角氧后获得无限层结构(RNiO2)超导相。由于钙钛矿前驱相和无限层结构的晶格常数相差较大，薄膜外延制备所需的单晶衬底要与两者都实现晶格匹配，可选择的单晶衬底种类非常有限，应变调控范围窄，极大地限制了对其超导物性的调制和超导机理的研究。另一方面，自支撑薄膜具备优异的晶格调控自由度，可以实现远超块体和外延薄膜所能达到的应变调控范围，能大幅提升超导薄膜的应变调控相图空间，且可进行异质堆叠，为探究镍氧化物超导机理提供新的材料和机遇。然而，镍氧化物钙钛矿前驱相的苛刻制备条件和拓扑还原得到的无限层超导相的亚稳特性，都给自支撑无限层镍基超导薄膜的制备带来巨大的挑战。
在本工作中，研究团队利用OMBE技术，通过单原子层精度调控薄膜与界面的精细结构，解决了若干瓶颈技术问题。其中，通过在水溶性牺牲层与钙钛矿前驱相之间插入SrTiO3缓冲层，有效抑制界面的离子混杂。同时，通过在SrTiO3缓冲层上沉积特定的截止面，再额外插入一层LaO以解决界面极化不连续引起的问题，抑制了缺陷的产生，从而获得高质量的钙钛矿前驱相。随后，通过拓扑还原实现了无限层结构超导相。进一步，在自支撑薄膜转移中，区别于广泛使用的Sr3Al2O6水溶性牺牲层，研究组采用新开发的高效水溶层Sr4Al2O7（水溶速率约为Sr3Al2O6的10倍，Adv. Mater. 202307682 (2024)），结合室温无损电极转移技术，最大程度降低自支撑薄膜制备过程中的样品退化和氧回填现象。基于上述进展，首次制备出高质量的自支撑镍基超导薄膜，为探究镍基超导薄膜与异质结的应变调控奠定了基础。此外，该技术也可应用于制备具有Ruddlesden-Popper结构的自支撑镍氧化物薄膜，研究其高压下的超导相。
相关成果以“Superconductivity in freestanding infinite-layer nickelate membranes”为题发表在Advanced Materials期刊上(https://doi.org/10.1002/adma.202402916)。南京大学现代工程与应用科学学院博士生鄢圣峻、茆伟和孙文杰为该论文的共同第一作者，聂越峰教授为论文的通讯作者。南京大学现代工程与应用科学学院的孙浩滢博士和李月莹博士为该研究的重要合作者。该研究工作还得到南京大学顾正彬教授及华威大学王鹏教授的大力支持与帮助。该工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金以及教育部“长江学者奖励计划”等项目的资助。同时，南京大学固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心以及江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室也对该研究给予了重要支持。
文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202402916
图1 高质量自支撑无限层镍基超导薄膜的制备与输运性质表征
【文章来源：南大新闻】