Structural and electrical characterization of novel layered intergrowth compounds

Abstract

Die untersuchten Ferekristalle sind neuartige Verwachsungs-Schichtverbindungen aus m Monolagen von Niobdiselenid (NbSe2), die wiederholt mit n atomaren Bilagen von Bleiselenid (PbSe) oder Zinnselenid (SnSe) geschichtet sind. Niobdiselenid als Volumenmaterial besitzt eine Schichtstruktur und ist ein Supraleiter. Aufgrund ihrer gezielt einstellbaren atomar geschichteten Struktur können Ferekristalle als Modellsysteme für geschichtete Supraleiter dienen. In dieser Arbeit werden ihre strukturellen und elektrischen Eigenschaften untersucht. Mittels Transmissionselektronenmikroskopie wird ihre turbostratisch ungeordnete, nanokristalline Struktur nachgewiesen. Die atomare Struktur innerhalb der einzelnen Schichten ist ähnlich wie in den Volumenmaterialien NbSe2, PbSe und SnSe, wobei die kristallographischen c-Achsen parallel zur Stapelrichtung der Ferekristalle zeigen. Eine quantitative Analyse unter Verwendung eines Zwei-Schicht-Modells für den spezifischen Widerstand, Hall-Koeffizienten und Magnetwiderstand liefert ähnliche Ladungsträgersorten, -dichten und –beweglichkeiten in den NbSe2-Schichten, wie sie für isolierte Einzellagen von NbSe2 berichtet wurden. Diese unterscheiden sich von denen des Volumenmaterials NbSe2. Erstmals wurde ein Übergang der Ferekristalle in den supraleitenden Zustand nachgewiesen. Die Sprungtemperaturen sind dabei in etwa auf die Hälfte der Sprungtemperaturen der jeweiligen nicht turbostratisch ungeordneten Misfit-Schichtverbindungen reduziert. Diese Reduzierung kann der turbostratischen Unordnung der Ferekristalle zugeordnet werden. Das Verhältnis zwischen der schichtsenkrechten Ginzburg-Landau-Kohärenzlänge und dem Abstand zwischen den supraleitenden Schichten ist bei den Ferekristallen kleiner als bei den nicht ungeordneten Misfit-Schichtverbindungen, was Ferekristalle zu vielversprechenden Kandidaten für (quasi-)zweidimensionale Supraleiter macht.

The investigated ferecrystals are novel layered intergrowth compounds consisting of m monolayers of niobium diselenide (NbSe2) stacked repeatedly with n atomic bilayers of lead selenide (PbSe) or tin selenide (SnSe). Bulk NbSe2 is a layered compound showing superconductivity. Due to their artificially atomic-scale layered structure, which is tunable on the atomic scale, ferecrystals can serve as model systems for layered superconductors. In this study, their structural and electrical properties are investigated. Using transmission electron microscopy their turbostratically disordered, nanocrystalline structure is revealed. The atomic structure within the individual layers is similar as for bulk NbSe2, PbSe and SnSe, with the crystallographic c-axes parallel to the stacking direction in the ferecrystals. A quantitative analysis using a two-layer model fit for the electrical resistivity, Hall coefficient and magnetoresistance yields a similar carrier type, density and mobility in the NbSe2 layers as reported for isolated NbSe2 monolayers. These values differ from those of bulk NbSe2. For the first time, a normal-to-superconducting transition has been detected in ferecrystals. The transition temperatures of the ferecrystals are reduced to about a half of those of analogous non-disordered misfit layer compounds. This reduction in transition temperature can be correlated to the turbostratic disorder in ferecrystals. The ratio between the cross-plane Ginzburg-Landau coherence length and the cross-plane distance between the NbSe2 layers for the ferecrystals is lower than for non-disordered misfit layer compounds, making ferecrystals promising candidates for (quasi-)two-dimensional superconductors.