近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所功能材料研究室在類石墨烯結(jié)構(gòu)的低維超導(dǎo)材料研究方面取得系列進(jìn)展，相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《物理評(píng)論B》（Physical Review B）、《材料化學(xué)雜志C》（Journal of Materials Chemistry C）和《應(yīng)用物理通訊》（Applied Physics Letter）等國際期刊上。
與石墨烯類似具有低維結(jié)構(gòu)特征的材料往往具有特殊的光電子性能，其在低維納米電子學(xué)器件中有潛在的應(yīng)用前景。近年來一些新型低維材料如硼烯、磷烯、過渡金屬二硫族化合物(化學(xué)通式MX2)等被實(shí)驗(yàn)制備出來，但其中復(fù)雜的物理現(xiàn)象諸如電荷密度波與超導(dǎo)的關(guān)聯(lián)，高壓、載流子摻雜等對(duì)超導(dǎo)電性的調(diào)控機(jī)理等方面還不完全清楚。固體所功能材料研究室的研究人員近年來通過理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，在高壓、載流子等調(diào)控硼烯、磷烯和MX2材料的超導(dǎo)研究方面取得了系列研究進(jìn)展。
研究人員通過第一性原理計(jì)算研究了1T-TiTe2在高壓下的超導(dǎo)性質(zhì)。研究結(jié)果表明，靜水壓不利于1T-TiTe2的超導(dǎo)，而單軸壓(沿c方向)有利于超導(dǎo)的出現(xiàn)。超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度從常壓下的0.73 K增加到單軸壓17 GPa下的6.34 K。此外，1T-TiTe2在高壓下可以出現(xiàn)拓?fù)湎噢D(zhuǎn)變。高壓下的超導(dǎo)和拓?fù)涮匦允沟?T-TiTe2成為拓?fù)涑瑢?dǎo)材料的候選。相關(guān)工作發(fā)表在Journal of Materials Chemistry C 5, 4167 (2017)。
采用載流子摻雜模型理論計(jì)算模擬了光場和電場對(duì)1T-TaS2的電荷密度波（CDW）影響。研究發(fā)現(xiàn)，電子摻雜會(huì)導(dǎo)致CDW更加穩(wěn)定，而空穴摻雜顯著抑制CDW的穩(wěn)定性。研究人員還預(yù)言了一定濃度的空穴摻雜可以誘導(dǎo)出6-7 K的超導(dǎo)電性。在1T-TaS2中可以實(shí)現(xiàn)CDW絕緣體態(tài)、金屬態(tài)、超導(dǎo)態(tài)之間的開關(guān)效應(yīng)，在未來的電子學(xué)器件中可能有很大的應(yīng)用前景。相關(guān)工作發(fā)表在Physical Review B 94, 125126 (2016)。
進(jìn)一步對(duì)1T-TaSe2進(jìn)行了Te元素?fù)诫s的理論和實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，摻雜導(dǎo)致的Se/Te無序分布抑制了1T-TaSe2中的CDW，同時(shí)在CDW消失區(qū)域附近發(fā)現(xiàn)一個(gè)dome(鐘罩)型的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變相。理論計(jì)算得到的強(qiáng)電聲耦合導(dǎo)致的晶格畸變引起CDW的出現(xiàn)，可以很好地解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。我們的計(jì)算結(jié)果可以幫助理解MX2材料中CDW和超導(dǎo)的關(guān)聯(lián)性。相關(guān)工作發(fā)表在Physical Review B 94, 045131 (2016)。
圖 1、1T-TiTe2在單軸壓下的平均聲子振動(dòng)頻率（ωlog）、電聲耦合強(qiáng)度和超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的變化情況（左）以及單軸壓力對(duì)材料性質(zhì)影響的示意圖（右）
圖 2、1T-TaSe2的聲子譜（左上）以及對(duì)應(yīng)的聲子線寬（右上），1T-TaS2（左下）和1T-TaSe2（右下）調(diào)控示意圖
硼烯是最近被實(shí)驗(yàn)成功制備的具有金屬基態(tài)的單原子層材料。課題組通過理論計(jì)算預(yù)言了硼烯具有超導(dǎo)的可能性，并且應(yīng)力和載流子摻雜可以調(diào)控硼烯的超導(dǎo)電性。拉伸應(yīng)力可以把超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度從19.0 K提高到27.4 K，而空穴摻雜可以提高到34.8 K。相關(guān)工作發(fā)表在Applied Physics Letter 109, 122604 (2016)。
磷烯是具有單層結(jié)構(gòu)的黑磷，具有比石墨烯更好的半導(dǎo)體性能。課題組理論預(yù)言了磷烯具有優(yōu)異的熱電性能，并且施加應(yīng)力可以通過能帶匯聚效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)其熱電性能。他們還通過理論計(jì)算，指出通過電子摻雜在磷烯中可誘導(dǎo)出超導(dǎo)電性。這將大大拓展磷烯的應(yīng)用范圍。相關(guān)工作發(fā)表在Physical Review B 90, 085433 (2014)和Europhysics Letters 108 67004 (2014)。
圖 3、應(yīng)力下硼烯的態(tài)密度、聲子譜、ωlog、電聲耦合強(qiáng)度和超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度等的變化圖
圖 4、磷烯在電荷摻雜下的聲子譜（左）和應(yīng)力下的ωlog、電聲耦合強(qiáng)度和超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度等的變化情況（右）
此外，研究人員還從理論上提出通過應(yīng)力可以有效調(diào)控單層1T-CrSe2/CrTe2的反鐵磁-鐵磁相轉(zhuǎn)變，特別是拉伸應(yīng)力能夠增強(qiáng)材料的鐵磁居里溫度高于室溫。相關(guān)工作發(fā)表在Physical Review B 92, 214419 (2015)。
上述工作是由孫玉平研究員和魯文建研究員課題組的邵定夫、呂紅艷、肖瑞春和劉育博士等完成。部分研究工作是與中科院強(qiáng)磁場中心和中科院物理所共同合作完成。研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。
文章鏈接：
1. http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2017/TC/C7TC00209B
2. https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.94.125126
3. https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.94.045131
4. http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4963179
5. https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.90.085433
6. http://iopscience.iop.org/article/10.1209/0295-5075/108/67004/meta
7. https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.92.214419
