Diamond-type structure allotrope α-Sn is attracting much attention as a topological Dirac semimetal (TDS). In this study, we demonstrate that α-Sn undergoes a phase transition to another allotrope β-Sn with superconductivity at low temperature by irradiating with a focused Ga ion beam (FIB). To clarify the transition mechanism, we performed x-ray photoemission spectroscopy (XPS) measurements on an α-Sn thin film irradiated with FIB and an as-grown α-Sn thin film. The XPS results suggest that the local annealing, which is one of the side effects of FIB, causes the transformation from α-Sn into β-Sn. Furthermore, the difference in the chemical states between α-Sn and β-Sn can be quantitatively explained by the crystal structures rather than the degree of metallicity reflecting the conductivity. These results propose a way of fabricating TDS/superconductor in-plane heterostructures based on α-Sn and β-Sn.

1.
M. Z.
Hasan
and
C. L.
Kane
,
Rev. Mod. Phys.
82
,
3045
(
2010
).
2.
L.
Fu
and
C. L.
Kane
,
Phys. Rev. B
76
,
045302
(
2007
).
3.
N. P.
Armitage
,
E. J.
Mele
, and
A.
Vishwanath
,
Rev. Mod. Phys.
90
,
015001
(
2018
).
4.
Z. K.
Liu
,
B.
Zhou
,
Y.
Zhang
,
Z. J.
Wang
,
H. M.
Weng
,
D.
Prabhakaran
,
S. K.
Mo
,
Z. X.
Shen
,
Z.
Fang
,
X.
Dai
,
Z.
Hussain
, and
Y. L.
Chen
,
Science
343
,
864
(
2014
).
5.
I.
Crassee
,
R.
Sankar
,
W. L.
Lee
,
A.
Akrap
, and
M.
Orlita
,
Phys. Rev. Mater.
2
,
120302
(
2018
).
6.
X. L.
Qi
and
S. C.
Zhang
,
Rev. Mod. Phys.
83
,
1057
(
2011
).
7.
Y.
Ando
and
M.
Sato
,
Rep. Prog. Phys.
80
,
076501
(
2017
).
8.
S.
Nakatsuji
,
N.
Kiyohara
, and
T.
Higo
,
Nature
527
,
212
(
2015
).
9.
O. F.
Shoron
,
T.
Schumann
,
M.
Goyal
,
D. A.
Kealhofer
, and
S.
Stemmer
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
062101
(
2019
).
10.
Y.
Ohtsuka
,
N.
Kanazawa
,
M.
Hirayama
,
A.
Matsui
,
T.
Nomoto
,
R.
Arita
,
T.
Nakajima
,
T.
Hanashima
,
V.
Ukleev
,
H.
Aoki
,
M.
Mogi
,
K.
Fujiwara
,
A.
Tsukazaki
,
M.
Ichikawa
,
M.
Kawasaki
, and
Y.
Tokura1
,
Sci. Adv.
7
,
eabj0498
(
2021
).
11.
N. H. D.
Khang
,
Y.
Ueda
, and
P. N.
Hai
,
Nat. Mater.
17
,
808
(
2018
).
12.
H.
Wu
,
A.
Chen
,
P.
Zhang
,
H.
He
,
J.
Nance
,
C.
Guo
,
J.
Sasaki
,
T.
Shirokura
,
P. N.
Hai
,
B.
Fang
,
S. A.
Razavi
,
K.
Wong
,
Y.
Wen
,
Y.
Ma
,
G.
Yu
,
G. P.
Carman
,
X.
Han
,
X.
Zhang
, and
K. L.
Wang
,
Nat. Commun.
12
,
6251
(
2021
).
13.
T.
Liang
,
Q.
Gibson
,
M. N.
Ali
,
M.
Liu
,
R. J.
Cava
, and
N. P.
Ong
,
Nat. Mater.
14
,
280
(
2015
).
14.
M.
Neupane
,
S. Y.
Xu
,
R.
Sankar
,
N.
Alidoust
,
G.
Bian
,
C.
Liu
,
I.
Belopolski
,
T. R.
Chang
,
H. T.
Jeng
,
H.
Lin
,
A.
Bansil
,
F.
Chou
, and
M. Z.
Hasan
,
Nat. Commun.
5
,
3786
(
2014
).
15.
S.
Nishihaya
,
M.
Uchida
,
Y.
Nakazawa
,
R.
Kurihara
,
K.
Akiba
,
M.
Kriener
,
A.
Miyake
,
Y.
Taguchi
,
M.
Tokunaga
, and
M.
Kawasaki
,
Nat. Commun.
10
,
2564
(
2019
).
16.
B. J.
Yang
and
N.
Nagaosa
,
Nat. Commun.
5
,
4898
(
2014
).
17.
Z.
Wang
,
H.
Weng
,
Q.
Wu
,
X.
Dai
, and
Z.
Fang
,
Phys. Rev. B
88
,
125427
(
2013
).
18.
A. A.
Zyuzin
and
A. A.
Burkov
,
Phys. Rev. B
86
,
115133
(
2012
).
19.
D. T.
Son
and
B. Z.
Spivak
,
Phys. Rev. B
88
,
104412
(
2013
).
20.
J.
Xiong
,
S. K.
Kushwaha
,
T.
Liang
,
J. W.
Krizan
,
M.
Hirschberger
,
W.
Wang
,
R. J.
Cava
, and
N. P.
Ong
,
Science
350
,
413
(
2015
).
21.
C. Z.
Li
,
L. X.
Wang
,
H.
Liu
,
J.
Wang
,
Z. M.
Liao
, and
D. P.
Yu
,
Nat. Commun.
6
,
10137
(
2015
).
22.
F. H.
Pollak
,
M.
Cardona
,
C. W.
Higginbotham
,
F.
Herman
, and
J. P.
Van Dyke
,
Phys. Rev. B
2
,
352
(
1970
).
23.
Y.
Ohtsubo
,
P. L.
Fèvre
,
F.
Bertran
, and
A. T.
Ibrahimi
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
216401
(
2013
).
24.
M. R.
Scholz
,
V. A.
Rogalev
,
L.
Dudy
,
F.
Reis
,
F.
Adler
,
J.
Aulbach
,
L. J.
Collins-McIntyre
,
L. B.
Duffy
,
H. F.
Yang
,
Y. L.
Chen
,
T.
Hesjedal
,
Z. K.
Liu
,
M.
Hoesch
,
S.
Muff
,
J. H.
Dil
,
J.
Schäfer
, and
R.
Claessen
,
Phys. Rev. B
105
,
075109
(
2022
).
25.
K. H. M.
Chen
,
K. Y.
Lin
,
S. W.
Lien
,
S. W.
Huang
,
C. K.
Cheng
,
H. Y.
Lin
,
C.-H.
Hsu
,
T.-R.
Chang
,
C.-M.
Cheng
,
M.
Hong
, and
J.
Kwo
,
Phys. Rev.
105
,
075109
(
2022
).
26.
L. D.
Anh
,
K.
Takase
,
T.
Chiba
,
Y.
Kota
,
K.
Takiguchi
, and
M.
Tanaka
,
Adv. Mater.
33
,
2104645
(
2021
).
27.
K.
Ishihara
,
L. D.
Anh
,
T.
Hotta
,
K.
Inagaki
,
M.
Kobayashi
, and
M.
Tanaka
, arXiv:2308.00893 (
2023
).
28.
V.
Mourik
,
K.
Zuo
,
S. M.
Frolov
,
S. R.
Plissard
,
E. P. A. M.
Bakkers
, and
L. P.
Kouwenhoven
,
Science
336
,
1003
(
2012
).
29.
A.
Das
,
Y.
Ronen
,
Y.
Most
,
Y.
Oreg
,
M.
Heiblum
, and
H.
Shtrikman
,
Nat. Phys.
8
,
887
(
2012
).
30.
M.
Wang
,
C.
Liu
,
J.
Xu
,
F.
Yang
,
L.
Miao
,
M.
Yao
,
C. L.
Gao
,
C.
Shen
,
X.
Ma
,
X.
Chen
,
Z.
Xu
,
Y.
Liu
,
S.
Zhang
,
D.
Qian
,
J.
Jia
, and
Q.
Xue
,
Science
336
,
52
(
2012
).
31.
C.
Huang
,
B. T.
Zhou
,
H.
Zhang
,
B.
Yang
,
R.
Liu
,
H.
Wang
,
Y.
Wan
,
K.
Huang
,
Z.
Liao
,
E.
Zhang
,
S.
Liu
,
Q.
Deng
,
Y.
Chen
,
X.
Han
,
J.
Zou
,
X.
Lin
,
Z.
Han
,
Y.
Wang
,
K. T.
Law
, and
F.
Xiu
,
Nat. Commun.
10
,
2217
(
2019
).
32.
M.
Schaffer
,
J.
Wagner
,
B.
Schaffer
,
M.
Schmied
, and
H.
Mulders
,
Ultramicroscopy
107
,
587
(
2007
).
33.
J.
Mayer
,
L. A.
Giannuzzi
,
T.
Kamino
, and
J.
Michael
,
MRS Bull.
32
,
400
(
2007
).
34.
R. M.
Langford
,
P. M.
Nellen
,
J.
Gierak
, and
Y.
Fu
,
MRS Bull.
32
,
417
(
2007
).
35.
C. A.
Volkert
and
A. M.
Minor
,
MRS Bull.
32
,
389
(
2007
).
36.
R.
Schmied
,
J. E.
Froch
,
A.
Orthacker
,
J.
Hobisch
,
G.
Trimmel
, and
H.
Plank
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
6153
(
2014
).
37.
M. P.
Seah
and
W. A.
Dench
,
Surf Interface Anal.
1
,
2
(
1979
).
38.
Y.
Saitoh
,
Y.
Fukuda
,
Y.
Takeda
,
H.
Yamagami
,
S.
Takahashi
,
Y.
Asano
,
T.
Hara
,
K.
Shirasawa
,
M.
Takeuchi
,
T.
Tanaka
, and
H.
Kitamura
,
J. Synchrotron Radiat.
19
,
388
(
2012
).
39.
M. F.
Merriam
and
M. V.
Herzen
,
Phys. Rev.
131
,
637
(
1963
).
40.
W.
Tuyn
and
H. K.
Onnes
,
J. Franklin Inst.
201
,
379
(
1926
).
41.
Y.
Ding
,
B.
Li
,
J.
Yao
,
H.
Song
,
L.
Wei
,
Y.
Lu
,
J.
Huang
,
H.
Yuan
,
H.
Lu
, and
Y.
Chen
,
J. Vac. Sci. Technol., A
41
,
023406
(
2023
).
42.
B.
Babu
,
I. N.
Reddy
,
K.
Yoo
,
D.
Kim
, and
J.
Shim
,
Mater. Lett.
221
,
211
(
2018
).
43.
R. I.
Hegde
,
Surf. Interface Anal.
4
,
5
(
1982
).
44.
R. M.
Friedman
,
R. E.
Watson
,
J.
Hudis
, and
M. L.
Perlman
,
Phys. Rev. B
8
,
3569
(
1973
).
45.
P. H.
Watts
and
J. E.
Huheey
,
Inorg. Nucl. Chem. Lett.
10
,
287
(
1974
).
46.
J.
Lüder
and
S.
Manzhos
,
J. Phys. Chem. A
124
,
11111
(
2020
).
47.
C. Q.
Sun
,
Y.
Sun
,
Y. G.
Nie
,
Y.
Wang
,
J. S.
Pan
,
G.
Ouyang
,
L. K.
Pan
, and
Z.
Sun
,
J. Phys. Chem. C
113
,
16464
(
2009
).
48.
C. Q.
Sun
,
Prog. Solid State Chem.
35
,
1
(
2007
).
49.
C. Q.
Sun
,
S. Y.
Fu
, and
Y. G. J.
Nie
,
J. Phys. Chem. C
112
,
18927
(
2008
).
50.
C. Q.
Sun
,
B. K.
Tay
,
X. T.
Zeng
,
S.
Li
,
T. P.
Chen
,
J.
Zhou
,
H. L.
Bai
, and
E. Y.
Jiang
,
J. Phys.: Condens. Matter.
14
,
7781
(
2002
).
51.
Y.
Wang
,
Y.
Pu
,
Z.
Ma
,
Y.
Pan
, and
C. Q.
Sun
,
Extreme Mech. Lett.
9
,
226
(
2016
).
52.
K.
Momma
and
F.
Izumi
,
J. Appl. Crystallogr.
44
,
1272
(
2011
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.