替代掺杂的Ga超掺杂Ge外延薄膜中的超导性

《Nature Nanotechnology》：Superconductivity in substitutional Ga-hyperdoped Ge epitaxial thin films

超导临界温度3.5K的Ge基Ga掺杂薄膜通过分子束外延制备，同步辐射X射线分析证实Ga原子有序替代引发晶格畸变，理论计算表明有序结构形成窄带隙从而实现超导。

　　

摘要

IV族元素中的掺杂诱导超导性可能使得利用成熟的半导体技术实现材料系统中的量子功能成为可能。将III族原子非平衡超掺杂到C、Si或Ge中可以产生超导性；然而，其超导机制受到结构无序和掺杂剂聚集的影响而变得复杂。在这里，我们报道了通过分子束外延技术生长出超掺杂的Ga:Ge薄膜和三层异质结构，这些结构具有极高的空穴浓度（n_h = 4.15 × 10^21 cm^-3，Ga替代率为17.9%），其超导转变温度T_c为3.5 K。基于同步辐射的X射线吸收和散射实验表明，Ga掺杂剂以替代的方式掺入Ge晶格中，导致晶胞结构发生四方畸变。我们的发现得到了第一性原理计算的支持，表明Ga掺杂剂的结构有序性为Ge中的超导现象的形成创造了合适的条件，从而将超掺杂的Ga:Ge确立为一个低无序度的、外延生长的超导体-半导体平台。