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.
REFERENCES
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.
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.
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
).© 2024 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2024
Author(s)
You do not currently have access to this content.
