南方科技大学，Nature！

米测MeLab

2025-03-05

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨米测MeLab

编辑丨风云

研究背景

高T_c超导性首次在铜酸盐中被发现，其由堆叠的超导CuO₂平面组成，Cu离子的3d轨道以3dx²-y²为主。镍酸盐与铜酸盐结构类似，但氧杂化较弱，电子结构独特。双层镍酸盐具有3d⁷·⁵结构，NiO₂层间存在顶端氧原子，其高压下T_c可达液氮温度，是研究高T_c超导机制的关键。

关键问题

然而，镍酸盐超导性的研究主要存在以下问题：

1、 双层镍酸盐的超导性依赖于高压条件

双层镍酸盐（如La₃Ni₂O₇）的超导性目前依赖于高压条件（超过14 GPa），这限制了对其超导特性和潜在应用的全面实验研究。在高压下进行实验不仅技术难度大，还难以实现超导性的环境压力稳定。

2、双层镍酸盐的超导机制尚不明确

尽管双层镍酸盐表现出高T_c超导性，但其超导机制尚不明确。研究表明，传统的电子-声子耦合机制难以解释这种高温超导性，暗示其可能具有非常规起源。此外，残余相不均匀性和结构复杂性也增加了对超导相识别的难度。    

新思路

有鉴于此，南方科技大学薛其坤院士、陈卓昱等人报道了双层镍酸盐外延薄膜在麦克米伦极限（40k）以上的大气压超导性。在SrLaAlO₄衬底上采用巨型氧化原子逐层外延（GOALL- Epitaxy）法制备了La_2.85Pr_0.15Ni₂O₇纯相单晶薄膜。电阻率测量和磁场响应表明起始T_C=45K。向零电阻的转变表现出与BKT （Berezinskii-Kosterlitz-Thouless）类行为一致的特征，T_BKT =9K。在T_M=8 K时，通过互感装置观察到迈斯纳反磁效应，与BKT样转变一致。面内和面外临界磁场表现出各向异性。扫描透射电子显微镜（STEM）图像和X射线互易空间映射（RSMs）显示，在NiO₂平面相对于块体的约2%相干外延压缩应变下，双层镍酸盐膜呈四方相。该发现为在环境压力条件下全面研究镍酸盐超导体以及通过异质结构中的应变工程探索更高转变温度下的超导性铺平了道路。

技术方案：

1、制备了超导双层镍酸盐薄膜

作者通过GOALL-Epitaxy技术在SrLaAlO₄衬底上生长La₂.₈₅Pr₀.₁₅Ni₂O₇薄膜，实现了45 K的常压超导性。    

2、探究了双层镍酸盐薄膜的磁场响应

作者在La₂.₈₅Pr₀.₁₅Ni₂O₇/SrLaAlO₄薄膜中，通过互感装置观测到迈斯纳抗磁效应，迈斯纳温度T_M = 8 K，与BKT转变温度T_BKT = 9 K一致。

3、揭示了La₂.₈₅Pr₀.₁₅Ni₂O₇/SrLaAlO₄薄膜的关键结构特征

STEM和EDS分析显示La₂.₈₅Pr₀.₁₅Ni₂O₇/SrLaAlO₄薄膜无杂质相，界面存在AlO₂双层结构，Ni和Al间无扩散，界面锐利且存在外延应变，确保超导性能。

4、分析了双层镍酸盐薄膜的晶体结构

XRD和RSM分析显示，La₂.₈₅Pr₀.₁₅Ni₂O₇和La₃Ni₂O₇薄膜晶体质量高，无杂质相。XRR测量薄膜厚度约6.6 nm，且与SrLaAlO₄衬底完全应变对齐，展现出四方相特征。

技术优势：

1、实现了环境压力下的高温超导性突破

作者通过衬底诱导的稀土元素取代和外延薄膜的压缩应变，在纯相双层镍酸盐薄膜中实现了45 K的常压超导性，突破了麦克米伦极限（40 K）。这一成果为在环境压力下全面研究镍酸盐超导体提供了直接途径。

2、将应变工程与结构调控相结合，成功制备了纯相单晶薄膜

作者利用SrLaAlO₄衬底和巨型氧化原子逐层外延法成功制备了La₂.₈₅Pr₀.₁₅Ni₂O₇纯相单晶薄膜。通过约2%的压缩应变，实现了四方相结构的稳定，并观察到与BKT类行为一致的超导转变。

技术细节

超导双层镍酸盐薄膜    

作者通过GOALL-Epitaxy技术在（001）取向的SrLaAlO₄衬底上生长了La₂.₈₅Pr₀.₁₅Ni₂O₇双层镍酸盐薄膜。与OMBE或PLD相比，该方法在强臭氧环境下使用不同激光烧蚀靶材，实现La₀.₉₅Pr₀.₀₅Oₓ和NiOₓ的交替堆叠。生长过程中，利用RHEED原位监测，确保外延应变在3个单元层厚度内稳定。样品在575℃、15 Pa纯化臭氧中退火30分钟，冷却后表现出45 K的超导性。电阻率测量显示，退火后的薄膜在50 K至60 K之间开始偏离线性，20 K以下接近BKT行为，TBKT = 9 K。霍尔效应表明电子和空穴载流子共存，暗示费米能级的多波段性质。

图  超导双层镍酸盐薄膜

双层镍酸盐薄膜的磁场响应

作者通过互感装置在La₂.₈₅Pr₀.₁₅Ni₂O₇/SrLaAlO₄薄膜上观察到迈斯纳抗磁效应，迈斯纳温度T_M = 8 K，与BKT转变温度T_BKT = 9 K一致。研究提取了薄膜的穿透深度随温度变化，并测量了面内和面外磁场变化的电阻率-温度（R-T）曲线。结果显示，临界场具有显著的各向异性：面外临界场B_c^⊥的零温度值为68 T和29 T（90%和50%情况），面内临界场B_c^∥分别为119 T和71 T。超导厚度d_SC估计为4±3 nm，相干长度面内ξ₀^∥= 2.2 nm，面外ξ₀^⊥= 1.7 nm。这些结果表明，双层镍酸盐薄膜的超导性具有二维特征，且超导厚度与相干长度相当。    

图  双层镍酸盐薄膜的磁场响应

超导双层镍酸盐薄膜的扫描透射电镜

扫描透射电子显微镜（STEM）和原子分辨能量色散X射线能谱（EDS）揭示了La₂.₈₅Pr₀.₁₅Ni₂O₇/SrLaAlO₄薄膜的关键结构特征。研究发现，薄膜中未检测到杂质相，且界面处存在AlO₂双层结构，作为外延生长的模板。Ni和Al之间无明显扩散，界面锐利且存在相干外延应变，确保了超导性能。此外，锶从衬底扩散到薄膜的第一个单元胞，可能引入空穴掺杂，增强超导性。电子能量损失谱（EELS）显示薄膜中存在有限的p-d杂化。    

图  超导双层镍酸盐薄膜的扫描透射电镜（STEM）

双层镍酸盐薄膜的XRD和RSM

XRD和互易空间映射（RSM）分析表明，La₂.₈₅Pr₀.₁₅Ni₂O₇和La₃Ni₂O₇薄膜具有高质量的晶体结构，无杂质相。在SrLaAlO₄衬底上生长的La₂.₈₅Pr₀.₁₅Ni₂O₇薄膜，面外晶格常数为20.74 Å，比块体拉长约1%，而La₃Ni₂O₇薄膜的面外晶格常数略小。Kiessig条纹的存在证实了薄膜表面光滑且具有原子级平整度。X射线反射率（XRR）测量显示La₂.₈₅Pr₀.₁₅Ni₂O₇薄膜厚度约为6.6 nm。RSM分析表明薄膜在面内方向上与衬底完全应变对齐，展现出四方相特征。    

图  双层镍酸盐薄膜的X射线衍射（XRD）和倒易空间映射（RSM）

展望

总之，本研究通过GOALL外延法在SrLaAlO₄衬底上生长出高质量的La₂.₈₅Pr₀.₁₅Ni₂O₇薄膜，实现了环境压力下的超导性，起始温度为45 K，高于麦克米伦极限（40K）。薄膜表现出BKT类转变行为，T_BKT=9K，与迈斯纳温度T_M=8 K一致。磁响应在临界磁场中显示出各向异性，表明超导性具有二维特征。这一成果为镍酸盐在常温下实现高于77 K（液氮沸腾温度）的超导转变奠定了基础。

参考文献：

Zhou, G., Lv, W., Wang, H. et al. Ambient-pressure superconductivity onset above 40 K in (La,Pr)3Ni2O7 films. Nature (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41586-025-08755-z