科學(xué)發(fā)現(xiàn)往往充滿了偶然性，六方科技做的是碳化硅/碳化鉭涂層產(chǎn)品，卻偶然合成了Ta2C單晶，首次明確了它的超導(dǎo)電性，正所謂無心插柳柳成蔭。
TaC涂層使用溫度超過2000攝氏度，被用于第三代半導(dǎo)體SiC長晶及外延的零部件。有趣的是，TaC同時(shí)也是一種超導(dǎo)體，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度10.3K[1]。金屬鉭（Ta）還有另一種碳化物，Ta2C，關(guān)于它的超導(dǎo)性質(zhì)卻長期存在爭議。Hardy等人早在1954年就報(bào)道了Ta2C超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為3.26K[2]。然而，Giorgi等人卻在9年后的研究中發(fā)現(xiàn)，Ta2C在溫度低于1.98K之下仍然沒有發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)跡象[3]。因此，Ta2C是否超導(dǎo)是一個(gè)懸而未決的科學(xué)問題，問題的難點(diǎn)在于研究者長期以來都無法合成高質(zhì)量Ta2C單晶。
圖1：(a)有限滲碳機(jī)理示意圖。(b)鉭箔碳化和超400微米和1200微米的TaC涂層件。
六方科技長期從事的是碳化硅，碳化鉭涂層產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)。盡管公司的主業(yè)是生產(chǎn)制造，但是工程師們對材料相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)問題保持著強(qiáng)烈的探索欲望。盡管常用的TaC涂層是通過CVD沉積獲得的，公司也同時(shí)研究Ta金屬的碳化獲得TaC涂層的方法（圖1）。在滲碳實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，工程師偶然發(fā)現(xiàn)除了生成TaC涂層，這一方法也能獲得Ta2C的成分。研究發(fā)現(xiàn)鉭的滲碳是一個(gè)復(fù)雜的固態(tài)反應(yīng)過程，包含碳梯度擴(kuò)散與相變：在富碳環(huán)境中，鉭表面直接接觸碳源形成TaC相，次表層區(qū)域則通過梯度碳擴(kuò)散生成Ta2C相。當(dāng)鉭基體尺寸過小或保溫時(shí)間過長時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致鉭完全轉(zhuǎn)化為TaC相，如圖1 (a) 所示。
圖2. (a) Ta2C晶體結(jié)構(gòu)示意圖。(b)鉭棒碳化后的產(chǎn)物的示意圖。(c) 對應(yīng)(b)圖中黑色虛線框區(qū)域的SEM圖像，可見圓柱狀Ta2C外圍包裹著多晶層。(d) Ta2C單晶的XRD θ-2θ 掃描圖譜。插圖為毫米坐標(biāo)紙上Ta2C單晶的實(shí)物照片。(e) Ta2C 單晶的解理面的低能電子衍射(LEED)圖像。
在合適的碳化速率和鉭件尺寸下，該團(tuán)隊(duì)最終在6mm直徑的鉭棒內(nèi)部得到約為3mm直徑的大尺寸、高質(zhì)量Ta2C單晶，相應(yīng)晶體表征如圖2所示。有了高質(zhì)量Ta2C單晶，關(guān)于Ta2C是否超導(dǎo)的科學(xué)問題迎刃而解，我們的研究表明：Ta2C是一種Ⅱ型超導(dǎo)體，其臨界溫度為4.1K，上臨界場0.153T，下臨界場21.8 Oe。經(jīng)過退磁因子修正后，超導(dǎo)體積分?jǐn)?shù)估算超過65％，表明樣品具有體超導(dǎo)性（圖3）。
圖3.(a-b)輸運(yùn)數(shù)據(jù)。(c-d)磁測量數(shù)據(jù)。
圖4.(a-b)分別為Ta2C的不考慮和考慮SOC時(shí)的計(jì)算能帶。(c-d)僅含體態(tài)、同時(shí)包含體態(tài)與表面態(tài)的表面態(tài)色散譜。
TaC具有立方相結(jié)構(gòu)，很難獲得平整的解理面，導(dǎo)致TaC電子結(jié)構(gòu)的直接測量長期以來沒有研究報(bào)道。與TaC不同，Ta2C具有層狀結(jié)構(gòu)，容易解理，使得實(shí)驗(yàn)測量其電子結(jié)構(gòu)成為可能。通過和甬江實(shí)驗(yàn)室及浙江工業(yè)大學(xué)合作，我們發(fā)現(xiàn)，Ta2C能帶結(jié)構(gòu)具有不平庸的拓?fù)湫再|(zhì)（Topologically Nontrivial）。如圖4（a-d）所示，在不考慮SOC時(shí)，有三條能帶穿過費(fèi)米能級，相互交叉或接觸。當(dāng)考慮SOC后，沿Γ-A方向的簡并能帶（紅色箭頭標(biāo)記）和LH上的交叉點(diǎn)（紅色圓圈標(biāo)記）發(fā)生劈裂，能帶相互分離，產(chǎn)生顯著的帶隙。帶隙的Z2拓?fù)渲笖?shù)為（1：000），表明Ta2C具有強(qiáng)拓?fù)涮匦浴ｓw邊對應(yīng)關(guān)系表明，非平庸的拓?fù)鋷犊梢援a(chǎn)生魯棒的表面態(tài)。Ta2C的表面色散譜如圖4(c-d)所示，帶隙中存在多個(gè)非平庸表面態(tài)(如綠色箭頭所示)。
超導(dǎo)性和非平庸拓?fù)涞墓泊媸沟脤訝頣a2C成為探索拓?fù)涑瑢?dǎo)性和馬約拉納束縛態(tài)的潛在候選材料。上述研究成果以”Ta2C: A possible candidate of topological superconductor”發(fā)表在SCI期刊《Journal of Alloys and Compounds》（JCR一區(qū)、中科院二區(qū)，影響因子5.8）。
