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界面效應(yīng)用于TMD超導(dǎo)體系研究獲進(jìn)展

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界面效應(yīng)用于TMD超導(dǎo)體系研究獲進(jìn)展

摘要: 　　近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽學(xué)習(xí)所、上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)學(xué)習(xí)所、北京大學(xué)等共同合作學(xué)習(xí)，通過化學(xué)剝離成單層TaS2納米片，以及納米片抽濾自組裝而重新堆疊成TaS2薄膜。重新組裝的TaS2薄膜打破了原母體的晶體結(jié) ...

　　近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽學(xué)習(xí)所、上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)學(xué)習(xí)所、北京大學(xué)等共同合作學(xué)習(xí)，通過化學(xué)剝離成單層TaS2納米片，以及納米片抽濾自組裝而重新堆疊成TaS2薄膜。重新組裝的TaS2薄膜打破了原母體的晶體結(jié)構(gòu)，形成了豐富的均質(zhì)界面，并獲得了比母體材料更高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和更大的上臨界場。相關(guān)學(xué)習(xí)成果以Enhanced superconductivity in restacked TaS2 nanosheets 為題發(fā)表于國際期刊美國化學(xué)會(huì)志（Journal of American Chemical Society，DOI: 10.1021/jacs.7b00216）。論文第一作者為上海硅酸鹽所在讀學(xué)習(xí)生潘杰，通訊作者為學(xué)習(xí)員黃富強(qiáng)。
　　自1911年超導(dǎo)被發(fā)現(xiàn)以來，超導(dǎo)的學(xué)習(xí)成為凝聚態(tài)物理皇冠上一顆最璀璨的明珠。目前超導(dǎo)材料已經(jīng)用在人們生活的各個(gè)方面，包括超導(dǎo)電線，醫(yī)院使用的超導(dǎo)核磁共振成像儀以及磁懸浮列車等。然而，盡管超導(dǎo)材料有很多的優(yōu)勢，但由于目前超導(dǎo)材料的最高超導(dǎo)溫度在零下100多攝氏度，成本仍然很高，難以大面積地推廣。因此，追求更高溫甚至室溫超導(dǎo)是物理學(xué)家們的夢想，也具有極高的實(shí)際價(jià)值。
　　目前，由于不足理論的支持，高溫超導(dǎo)的探索步履維艱。傳統(tǒng)的BCS理論難以解釋40 K以上超導(dǎo)的機(jī)理，因此需要提出更完備、更深刻的理論來解釋高溫超導(dǎo)現(xiàn)象，并為高溫超導(dǎo)的探索提供指路明燈。界面超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)是近幾年超導(dǎo)領(lǐng)域的一個(gè)新亮點(diǎn)。2007年，在LaAlO3/SrTiO3界面發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性后 (Science. 2007， 317， 1196)，引起了學(xué)習(xí)者的關(guān)注。隨后，在絕緣體La2CuO4/金屬相La2-xSrxCuO4界面也發(fā)現(xiàn)了高溫超導(dǎo)增強(qiáng)特性(Nature， 2008， 455， 782)。最近，中國科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，SrTiO3單晶/單層FeSe體系的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc（65 K，Nature Materials， 2013， 12， 605)，遠(yuǎn)高于FeSe塊體相的Tc（8 K），同樣界面效應(yīng)在其中起到?jīng)Q定性的作用。界面超導(dǎo)的學(xué)習(xí)為物理學(xué)家們探索高溫超導(dǎo)提供了嶄新的思路，具有重大的理論學(xué)習(xí)價(jià)值。過渡金屬二硫族化合物MQ2（M=Ti， Nb， Ta， Mo， W等）的晶體結(jié)構(gòu)由二維[MQ2]
　　層組成，層間存在弱作用力，是一種準(zhǔn)二維的電子系統(tǒng)，在低溫下具有豐富的物理特性。由于其特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以通過各種物理或者化學(xué)的手段對(duì)它們進(jìn)行剝離，獲得單層的MQ2層。其中，2H-TaS2是一種典型的電荷密度波（CDW）與超導(dǎo)共存的TMD材料，通過插層或高壓的方式可以抑制CDW轉(zhuǎn)變，增強(qiáng)2H-TaS2的超導(dǎo)特性。然而，界面調(diào)控2H-TaS2電子結(jié)構(gòu)卻未見報(bào)道。
　　為了在TaS2中構(gòu)筑豐富的界面，學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)通過采用堿金屬離子插層剝離的方法獲得單層的TaS2納米片，并通過抽濾的方式對(duì)其進(jìn)行組裝，得到重堆疊的TaS2薄膜。薄膜內(nèi)部層與層之間發(fā)生無規(guī)則的扭曲，破壞了原先的晶體結(jié)構(gòu)，形成了均質(zhì)的界面。經(jīng)過進(jìn)一步的學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)，重堆疊TaS2薄膜的電子比熱系數(shù)γ兩倍于塊體的2H-TaS2�；诠腆w比熱的德拜模型理論，更大的電子比熱系數(shù)γ說明重堆疊TaS2薄膜的費(fèi)米面附近具有更多的電子態(tài)密度。為了更好地解釋重堆疊TaS2薄膜超導(dǎo)增強(qiáng)的機(jī)理，學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)采用密度泛函理論（DFT）對(duì)兩種材料的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析。計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)重堆疊后的TaS2薄膜，因?qū)优c層之間存在扭曲，界面處電子的離域化程度增強(qiáng)，由此導(dǎo)致費(fèi)米面附近的電子態(tài)密度增加，超導(dǎo)特性增強(qiáng)。該項(xiàng)學(xué)習(xí)成果豐富了界面超導(dǎo)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，為完善超導(dǎo)理論，探索更高溫的超導(dǎo)體系提供了很好的學(xué)習(xí)思路。
　　該項(xiàng)目得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)學(xué)習(xí)計(jì)劃B等項(xiàng)目的支持。



　　圖1. a， 重堆疊TaS2薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖；b， 重堆疊TaS2薄膜的XRD圖譜；c， 重堆疊TaS2薄膜的HAADF-STEM圖像；d，重堆疊TaS2薄膜的選區(qū)電子衍射。



　　圖2. a， 重堆疊TaS2薄膜的磁矩隨溫度的依賴關(guān)系，插圖：重堆疊TaS2薄膜的磁矩隨磁場的變化關(guān)系；b， 2H-TaS2粉末以及重堆疊TaS2薄膜的電阻隨著溫度的變化關(guān)系；c， 不同磁場下重堆疊TaS2薄膜的電阻隨溫度的變化關(guān)系；d， 重堆疊TaS2薄膜的比熱性能測試。界面效應(yīng)用于TMD超導(dǎo)體系研究獲進(jìn)展  |  責(zé)任編輯：蟲子
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