六方科技Ta2C单晶超导电性验证成功

图1：(a)有限渗碳机理示意图。(b)钽箔碳化和超400微米和1200微米的TaC涂层件。

六方科技长期从事的是碳化硅，碳化钽涂层产品的研发和生产。尽管公司的主业是生产制造，但是工程师们对材料相关的基础科学问题保持着强烈的探索欲望。尽管常用的TaC涂层是通过CVD沉积获得的，公司也同时研究Ta金属的碳化获得TaC涂层的方法（图1）。在渗碳实验当中，工程师偶然发现除了生成TaC涂层，这一方法也能获得Ta2C的成分。研究发现钽的渗碳是一个复杂的固态反应过程，包含碳梯度扩散与相变：在富碳环境中，钽表面直接接触碳源形成TaC相，次表层区域则通过梯度碳扩散生成Ta2C相。当钽基体尺寸过小或保温时间过长时，往往会导致钽完全转化为TaC相，如图1 (a) 所示。

图2. (a) Ta2C晶体结构示意图。(b)钽棒碳化后的产物的示意图。(c) 对应(b)图中黑色虚线框区域的SEM图像，可见圆柱状Ta2C外围包裹着多晶层。(d) Ta2C单晶的XRD θ-2θ 扫描图谱。插图为毫米坐标纸上Ta2C单晶的实物照片。(e) Ta2C 单晶的解理面的低能电子衍射(LEED)图像。

在合适的碳化速率和钽件尺寸下，该团队最终在6mm直径的钽棒内部得到约为3mm直径的大尺寸、高质量Ta2C单晶，相应晶体表征如图2所示。有了高质量Ta2C单晶，关于Ta2C是否超导的科学问题迎刃而解，我们的研究表明：Ta2C是一种Ⅱ型超导体，其临界温度为4.1K，上临界场0.153T，下临界场21.8 Oe。经过退磁因子修正后，超导体积分数估算超过65％，表明样品具有体超导性（图3）。

图3.(a-b)输运数据。(c-d)磁测量数据。

图4.(a-b)分别为Ta2C的不考虑和考虑SOC时的计算能带。(c-d)仅含体态、同时包含体态与表面态的表面态色散谱。

TaC具有立方相结构，很难获得平整的解理面，导致TaC电子结构的直接测量长期以来没有研究报道。与TaC不同，Ta2C具有层状结构，容易解理，使得实验测量其电子结构成为可能。通过和甬江实验室及浙江工业大学合作，我们发现，Ta2C能带结构具有不平庸的拓扑性质（Topologically Nontrivial）。如图4（a-d）所示，在不考虑SOC时，有三条能带穿过费米能级，相互交叉或接触。当考虑SOC后，沿Γ-A方向的简并能带（红色箭头标记）和LH上的交叉点（红色圆圈标记）发生劈裂，能带相互分离，产生显著的带隙。带隙的Z2拓扑指数为（1：000），表明Ta2C具有强拓扑特性。体边对应关系表明，非平庸的拓扑带隙可以产生鲁棒的表面态。Ta2C的表面色散谱如图4(c-d)所示，带隙中存在多个非平庸表面态(如绿色箭头所示)。

超导性和非平庸拓扑的共存使得层状Ta2C成为探索拓扑超导性和马约拉纳束缚态的潜在候选材料。上述研究成果以”Ta2C: A possible candidate of topological superconductor”发表在SCI期刊《Journal of Alloys and Compounds》（JCR一区、中科院二区，影响因子5.8）。