Tunneling Spectroscopy and Vortex Imaging in Boron-doped Diamond Kitaoka Lab. Toshiyuki Tsuchida Ref.)B.Sacepe et al. cond-mat/0510541

Contents Introduction Experiments Summary Boron-doped Diamond STM Measurement of Superconductor by STM Experiments Summary

Superconductivity in B-doped diamond onset 4K offset 2.3K Ekimov, et al., Nature 428, 542 (2004) 台詞： 2004年、Ekimovらによってonset4.2Koffset 2.3Kの超伝導を有することを発見されたダイヤモンドは、 約8～9GPaの高圧、2,800度という高温中で合成されたダイヤモンドです。 左の写真は表面の図ですが、ダイヤモンドはB4Cとグラファイトの境界に生成されます。この境界のダイヤモンドで超伝導が生まれます。さらに、右の図から150～300Kまでは抵抗が変わらないこと、150K以下から抵抗が半導体的な振る舞いを示すこと、また圧力を加えることによって転移温度が下がることなど通常の金属にとって異常な振る舞いが顔を出しています。 Superconductivity takes place in the diamond at the interface between graphite and B4C Synthesis under High Pressure (8～9GPa) and High Temperature(2,800K) [HPHT Method]

SC in B-doped diamond film MPCVD method Polycrystalline onset 7K これがCVD法で作った厚さ3.5μmの薄膜状のダイヤモンドです。 これは表面の拡大図ですが、この図のようにSiの上にダイヤモンドが積層しているのがわかります。これをさらに拡大した図を見てみると、三角形の形の結晶が多く見られます。この結晶はダイヤモンドの(111)面です。 この試料には約0.53%のホウ素がドーピングされており、図のようにonset7Kから電気抵抗が落ち始め 4Kでoffsetとなっています。マイスナー効果は約3.5Kから発現しております。 GAS: H2 + CH4 + B(CH)3 Advantages of this method It is easy to control thickness of diamond film growth facet Boron density offset 4K Y.Takano Appl .Phys.Lett., 85,4 2004

Boron-doped diamond 3 Superconductivity B-density vs resistivity(room temperature) B-density vs Tc Superconductivity これをさきほどの図でみてやるとちょうど半導体的性質から金属的な性質に転移しようとする 濃度の近傍で超伝導が起こっていることがわかります。このように通常超伝導が現れにくいと思われている状況で起こる超伝導には新しい機構による超伝導状態が期待され、今後の研究の発展が望まれます。 J.-P. Lagrange et al. D.R.M 7 (1998) 1390–1393 Umezawa et al. condmat-05503303 (2005) Superconductivity takes place in vicinity of metal-insulator boundary Tc of (111) film > Tc of (100) film

STM (Scanning Tunneling Microscope) 1 ・Observations of microscopic geometry on the surface Atomic-scale resolution ・Measurements of local property

STM (Scanning Tunneling Microscope) 2 V=0 DOS probe (normal metal) N EF I sample (normal metal) V=V1 DOS N V EF eV1

STM (Scanning Tunneling Microscope) 3 probe (normal metal) EF N N V sample (normal metal) ↓ (superconductor) I 2Δ EF S N V Δ/e

S.C.measurement by STM D(E) Tunneling conductance EF E ΔI/ΔV V 2Δ：energy gap

Sample information 1 ・synthesized by MPCVD (Microwave Plasma-assisted chemical vapor deposition ) ・boron density ～ nB=1.9×1021cm-3 (≒　1.1%) ・ thickness ～150 nm Umezawa et al. condmat-05503303 (2005)

Sample information 2 Tconset=2.5K ΔTc is very narrow Hc2(T=0K)~1.5T →ξ~150Å (ξ: coherence length) Tconset=2.5K ΔTc is very narrow

Surface topography by STM 600 nm ・The parallel strips reflect the vicinal surface structure of the substrate . ・the average of steps is ~1.8 nm 1.8nm step 600nm (1.5×1.5μm2) substrate

Tunneling conductance at Superconducting state 2Δ Δ=285μeV (In the BCS theory,Δ/kBTc～1.76)

Temperature dependence of the BCS gap BCS fitting curve indicates Tc=1.85K susceptibility and transport  Tc ~ 1.9K Tc=1.85K

Superconducting state observed by STM Δ/kBTc～1.74 Tc=1.85K B-doped diamond is conventional BCS superconductor

Vortex Type-I diamagnetic Type-II Hc2 Applied magnetic field Hc1 Hc ξ S.C. state Vortex state Normal state Superconducting state Normal state ξ Δ

Vortex images 1.5μm White・・・・・S.C. state Black・・・・・normal state In the higher field, more vortice exist. H. F. Hess et al ,Phys.Rev.Lett. 62,214(1989) NbSe2 H=1200Oe H=1900Oe d~140nm d~110nm Comparing with the ideal triangular vortex lattice, the vortex lattice of B-doped diamond is inhomogeneous. →because of random substitution of Boron

Density of states around the vortex The diameter of vortex is estimated about 15nm. (c.f. ξGL=15nm) Even within the BCS gap, DOS around EF exists. H=1800Oe

Summary First observation of SC state by STM B-doped diamond is the conventional BCS superconductor Under magnetic field,the vortices are arranged in disordered triangular lattice