摘要：大家好！今天一起来了解一篇超薄多层镍酸盐的超导研究——《Superconductivity in an ultrathin multilayer nickelate》发表于《SCIENCE ADVANCES》。超导研究犹如一场无尽的寻宝之旅，镍酸盐因类似超导铜
大家好！今天一起来了解一篇超薄多层镍酸盐的超导研究——《Superconductivity in an ultrathin multilayer nickelate》发表于《SCIENCE ADVANCES》。超导研究犹如一场无尽的寻宝之旅，镍酸盐因类似超导铜酸盐的特性备受关注。而“无限层”镍酸盐虽现超导，却有诸多谜题接下来，一起来了解科学家如何运用前沿技术，揭开其超导性的神秘面纱，探寻微观世界的超导奥秘。
*本文只做阅读笔记分享*
一、研究背景与意义
之前呢，科学家们一直想在其他复杂氧化物系统里找到像超导铜酸盐那样的材料。镍酸盐就很有希望，特别是当镍（Ni）能稳定在1+状态时，它的电子构型就和铜酸盐里的Cu2+一样了。最近在“无限层”镍酸盐Nd0.8Sr0.2NiO2中发现了超导性，这可引起了好多讨论呢。不过，这里面也有问题，Nd0.8Sr0.2NiO2薄膜的超导转变温度Tc会随着膜厚减小而降低，4.6nm（13个晶胞）以下超导性就没了，这就让大家开始琢磨，超导性到底和厚度啥关系，超导机制又到底是咋回事。
Nd6Ni5O12！它是研究超导镍酸盐本征特性的理想材料哦。给大家看看它的结构，左边是Nd6Ni5O16，右边是Nd6Ni5O12，这种结构和它特殊的电子构型（d8.8），让它处在超导穹顶中心附近，很适合用来研究超导性。
二、实验材料与方法
那科学家们是怎么研究的呢？他们用了分子束外延（MBE）技术，在NdGaO3衬底上生长Nd6Ni5O12薄膜。在生长过程中，为了精确控制，就用到了原位同步辐射X射线散射技术。这个技术可厉害了，就像给生长过程装上了“眼睛”，能清楚看到每一步。比如说，通过监测00 1/2 r.l.u.（反布拉格位置之一）的X射线强度振荡，就能知道原子层是不是长好了。
三、实验结果
1、电学输运特性
先看电阻和超导性的关系。3UC厚的Nd6Ni5O16薄膜在大约135K的时候有个金属-绝缘体转变（MIT），就像一个开关一样，从能导电变成不太导电了，而且这个转变几乎没有滞后。等把它还原后，它就变成超导态了，不过还没到电阻为零的状态。超导是从大约17K开始的，到10K左右曲率最大。
再看1UC厚的Nd6Ni5O12薄膜，它的超导起始温度和3UC的差不多呢。这就很神奇了，说明在这个材料里，超导转变温度和厚度没太大关系，不像Nd0.8Sr0.2NiO2那样。不同厚度薄膜的正常态电阻率和二维面电阻也很有趣，科学家们还在研究为啥会这样。
另外，给1UC厚的Nd6Ni5O12薄膜加个垂直磁场，超导性就会被抑制，通过电阻率达到正常态90%时的磁场强度当作上临界场，算出来面内零温金斯堡-朗道相干长度ξab(0) = 30.4 ± 0.3 Å。
2、原位X射线研究生长过程
生长Nd6Ni5O16的时候，沉积顺序很有讲究。要是按照常规的来，就会出现动态层重排。在0.5UC厚的Nd6Ni5O16薄膜上沉积NdO→NiO2，层就乱了。所以科学家们发现得在岩盐层上面再多加一层NdO，也就是用NdO→NdO→NdO→NiO2这个顺序。
在生长的时候，X射线强度振荡能反映表面的变化。大家看，沉积NdO的时候，表面变得不平整，像一个个小岛，强度就降低了；长NiO2的时候，表面又变平滑了，强度就增加了。
用NdO→NiO2→NdO顺序长出来的1UC的Nd6Ni5O16，它的镜面布拉格棒很复杂，结构乱七八糟的，说明有很多缺陷；而用NdO→NdO→NiO2顺序长的就好多了，和理想结构计算出来的很像。
还有哦，用优化后的顺序长的不同厚度（1UC-3UC）Nd6Ni5O16薄膜的镜面布拉格棒，那些偶数编号的超晶格峰很明显，而且薄膜质量很高，没有峰分裂，说明是单相的Nd6Ni5O16。要是用错的顺序长，像(下图右)里的3UC样品，就有序性很差，没有RP相的超晶格反射。
3、原位X射线研究还原过程
超导性对还原条件可敏感了。还原温度稍微有点变化，超导性就没了。比如说，还原温度偏离最优的260°C，差个5°C，薄膜就变成绝缘（265°C）或者半导体（255°C，MIT在76K）状态了，这就是因为还原得不完全或者不均匀。
在原位还原实验里，1UC薄膜在不同还原温度下随着时间变化的镜面布拉格棒，重点看0024反射附近。在205°C的时候，0024峰很快就移动了，这说明还原主要是以很快的速度进行的，最后就变成超导态了。
科学家们还用COBRA技术研究了1UC薄膜在还原过程中的平面外原子结构。从下图左能看到不同温度下薄膜的层间距分布，下图右是对应的示意图。结果发现，表面原子层的氧先跑掉，氟石层能让平面正方形相更稳定，还能帮助还原过程。
四、结果讨论
在还原过程中，平面外晶格常数的变化很重要。在其他一些镍酸盐体系里，也发现了类似1UC样品中间态电阻率呈现对数温度依赖性的情况（像LaNiO2薄膜和R1-xSrxNiO2系统）。而且超导转变宽度可能和基底-镍酸盐界面有关系，就像之前在MBE生长的单层FeSe/SrTiO3体系里看到的那样。不过在这个研究里，1UC薄膜还是能有高的起始超导温度，这和无限层薄膜不一样，说明准二维五层结构可能让电子相更稳定，不容易被干扰。
五、研究总结与展望
总的来说，科学家们通过原位同步辐射X射线散射技术，发现了超薄Nd6Ni5O16薄膜生长的正确“姿势”，避免了层重排。1UC和3UC厚的Nd6Ni5O12薄膜超导起始温度和厚膜差不多，而且超导性对还原条件特别敏感。这些研究成果不仅让我们对镍酸盐超导性有了更深的理解，也为以后合成其他层状超导体提供了方法。说不定以后还能基于这个研究做出超厉害的量子设备呢！今天的分享就到这里啦，希望大家对这个研究有了新的认识，下次有更有趣的科学发现再和大家分享哦！
六、一起来做做题吧
1、镍酸盐被认为是超导研究的重要体系，主要是因为
A. 其制备工艺简单
B. 镍元素在其中具有独特的晶体结构
C. 镍（Ni）可能稳定在 1 + 态，电子构型与超导铜酸盐中Cu2+相似
D. 它在常温下就能表现出超导性
2、在本研究中，用于监测分子束外延（MBE）生长过程的技术是
A. 反射高能电子衍射（RHEED）
B. 原位同步辐射 X 射线散射技术
C. 扫描透射电子显微镜（STEM）
D. 四探针法
3、3UC厚的Nd6Ni5O16薄膜在还原后变成超导态，其超导起始温度约为
A. 135K
B. 17K
C. 10K
D. 0K
4、生长Nd6Ni5O16时，为避免动态层重排，应采用的沉积序列是
A. NdO→NiO2→NdO
B. NdO→NdO→NiO2
C. NdO→NdO→NdO→NiO2
D. NiO2→NdO→NdO
5、1UC 厚的Nd6Ni5O12薄膜在还原过程中，在哪个温度附近氧损失迅速且最终形成超导态？
A. 255°C
B. 260°C
C. 205°C
D. 220°C
参考文献：
Xi Yan et al. Superconductivity in an ultrathin multilayer nickelate. Sci. Adv. 11, eado4572(2025).
来源：知识泥土六二三
