南京大学南京大学聂越峰/季殿祥课题组在《自然·材料》报道常压双层镍氧化物超导相图

近日，南京大学现代工程与应用科学学院聂越峰教授与季殿祥副教授课题组在镍基超导研究方面取得重要进展。研究团队采用氧化物分子束外延（OMBE）技术，成功制备出Sr掺杂La₃Ni₂O₇常压超导薄膜，并首次系统绘制了双层镍氧化物的载流子掺杂超导相图。

近年来，新型镍基超导材料的出现为揭示非常规高温超导机理提供了新契机，成为当今凝聚态物理的前沿热点。其中，双层镍氧化物La₃Ni₂O₇中超导转变温度超过了液氮温度并展现出诸多与铜基超导体相异的特性，吸引了广泛关注，我国科学家在该领域做出了系列重要贡献。

在铜基和铁基超导体中，载流子掺杂通过压制反铁磁基态诱导出高温超导态，相图中还可能出现赝能隙、向列相、奇异金属态及费米液体行为等复杂现象。研究这些量子现象对揭示超导机理具有重要意义。然而，La₃Ni₂O₇超导薄膜的制备面临诸多挑战，其超导态对外延制备参数及臭氧退火条件极为敏感。异价Sr²⁺离子的掺杂以及衬底产生的约-2%面内压缩应变，进一步增加了制备难度。因此，La₃Ni₂O₇的载流子调控相图迄今尚未有相关报道。

材料制备突破

聂越峰教授课题组长期致力于发展基于氧化物分子束外延（OMBE）的单原子层精度可控的薄膜制备技术，并将其应用于铁电、多铁及高温超导等量子材料研究中。本研究基于团队在OMBE技术方面的长期积累，通过反射高能电子衍射（RHEED）原位实时监测与X射线衍射表征相结合，建立了高精度化学计量比校准与掺杂调控方法，并采用改进的逐层沉积工艺，制备出高质量Sr掺杂La₃Ni₂O₇薄膜，并成功观测到高温超导态。

独特的超导相图

实验研究表明，在SrLaAlO₄衬底上外延生长的La₃₋ₓSrₓNi₂O₇薄膜呈现出独特的超导相图。在0 ≤ x ≤ 0.21的掺杂范围内，超导转变温度（Tc）随掺杂浓度变化保持相对稳定，最优掺杂样品的Tc约为42 K。随着掺杂浓度继续增加，Tc逐渐降低，形成不完整的穹顶状相图。这一特征与铜基超导体中通过空穴和电子掺杂可形成两个独立的完整穹顶相图形成明显区别。

图1：Sr掺杂La₃Ni₂O₇薄膜的结构表征、超导特性与相图

外延应变对结构与物性的调控

通过原子分辨球差校正透射电镜（STEM）表征，发现制样过程引入的氧空位主要分布在NiO₂平面内。这一分布特征与块体单晶材料中氧空位主要位于层间顶角氧位点的现象存在显著差异。理论计算表明，面内双轴压缩应变通过增强面内电子波函数交叠，提高了面内氧位点的库仑排斥能，从而降低了该处氧空位的形成能。

研究还发现，外延压缩应变导致Ni-O键长发生明显变化：面内Ni-O键缩短，而面外Ni-O键伸长约4%。这种结构变化减弱了层间dz2轨道的耦合强度，为理解薄膜样品与块材超导转变温度的差异提供了一种可能的解释。

该研究首次揭示了载流子掺杂La₃Ni₂O₇超导薄膜中不完整穹顶状的超导相图特征，阐明了外延应变对氧空位分布和层间耦合的调控作用。这些结果为进一步理解镍基超导机制提供了重要实验基础。后续工作可着重探索通过四价离子替代La3+构建完整相图的可行性，并研究不同掺杂区间可能存在的竞争有序相。这些研究将有助于深化对镍基超导机制的认识。

该项研究成果以”Superconductivity in Sr-doped La₃Ni₂O₇ thin films”为题发表于《自然·材料》（DOI: 10.1038/s41563-025-02327-2）。

南京大学现代工程与应用科学学院博士生浩波、王茂森、孙文杰以及香港理工大学应用物理系博士生杨洋为该论文的共同第一作者，聂越峰教授与季殿祥副教授为论文的共同通讯作者，周健教授为本工作提供了重要的理论支持。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、教育部“长江学者奖励计划”、国家自然科学青年基金、香港研资局优配研究金、江苏省自然科学基金以及博士后创新人才支持计划等项目的资助。南京大学固体微结构物理全国重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室、香港理工大学应用物理系以及江苏省物理科学研究中心对该研究给予了重要支持。