中科院上海硅酸鹽所黃富強團隊：界面效應用于TMD超導體系研究獲進展

【成果簡介】

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所、上海微系統與信息技術研究所、北京大學等共同合作研究，通過化學剝離成單層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構，形成了豐富的均質界面，并獲得了比母體材料更高的超導轉變溫度和更大的上臨界場。相關研究成果以“Enhanced superconductivity in restacked TaS₂?nanosheets”為題發表于國際期刊Journal of American Chemical Society。論文第一作者為上海硅酸鹽所在讀研究生潘杰，通訊作者為研究員黃富強。

【圖文導讀】

圖1?STEM圖像、AFM圖像及TaS₂單層的高度分布

（a）TaS 2單層的高角度環形暗場（HAADF）STEM圖像

（b）平臺a中原子圖像的快速傅里葉變換（FFT）

（c）AFM圖像

（d）TaS₂單層的高度分布

圖2? 球棒模型及狀態密度

（a）未扭曲的2H-TaS₂（左）和扭曲的TaS₂（右）的球棒模型
（b）由DFT計算的未扭曲和扭曲的TaS₂的狀態密度（DOS）

【研究成果】

自1911年超導被發現以來，超導的研究成為凝聚態物理皇冠上一顆最璀璨的明珠。目前超導材料已經用在人們生活的各個方面，包括超導電線，醫院使用的超導核磁共振成像儀以及磁懸浮列車等。然而，盡管超導材料有很多的優勢，但由于目前超導材料的最高超導溫度在零下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是物理學家們的夢想，也具有極高的實際價值。

目前，由于缺乏理論的支持，高溫超導的探索步履維艱。傳統的BCS理論難以解釋40 K以上超導的機理，因此需要提出更完備、更深刻的理論來解釋高溫超導現象，并為高溫超導的探索提供指路明燈。界面超導的發現是近幾年超導領域的一個新亮點。2007年，在LaAlO₃/SrTiO₃界面發現超導電性后 (Science. 2007, 317, 1196)，引起了研究者的關注。隨后，在絕緣體La₂CuO₄/金屬相La_2-xSr_xCuO₄界面也發現了高溫超導增強特性(Nature, 2008, 455, 782)。最近，中國科學家們發現，SrTiO₃單晶/單層FeSe體系的超導轉變溫度T_c（65 K，Nature Materials, 2013, 12, 605)，遠高于FeSe塊體相的T_c（8 K），同樣界面效應在其中起到決定性的作用。界面超導的研究為物理學家們探索高溫超導提供了嶄新的思路，具有重大的理論研究價值。過渡金屬二硫族化合物MQ₂（M=Ti, Nb, Ta, Mo, W等）的晶體結構由二維[MQ₂] 層組成，層間存在弱作用力，是一種準二維的電子系統，在低溫下具有豐富的物理特性。由于其特殊的結構特點，可以通過各種物理或者化學的手段對它們進行剝離，獲得單層的MQ₂層。其中，2H-TaS₂是一種典型的電荷密度波（CDW）與超導共存的TMD材料，通過插層或高壓的方式可以抑制CDW轉變，增強2H-TaS₂的超導特性。然而，界面調控2H-TaS₂電子結構卻未見報道。

為了在TaS₂中構筑豐富的界面，研究團隊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其進行組裝，得到重堆疊的TaS₂薄膜。薄膜內部層與層之間發生無規則的扭曲，破壞了原先的晶體結構，形成了均質的界面。經過進一步的研究發現，重堆疊TaS₂薄膜的電子比熱系數γ兩倍于塊體的2H-TaS₂。基于固體比熱的德拜模型理論，更大的電子比熱系數γ說明重堆疊TaS₂薄膜的費米面附近具有更多的電子態密度。為了更好地解釋重堆疊TaS₂薄膜超導增強的機理，研究團隊采用密度泛函理論（DFT）對兩種材料的電子結構進行模擬分析。計算結果發現重堆疊后的TaS₂薄膜，因層與層之間存在扭曲，界面處電子的離域化程度增強，由此導致費米面附近的電子態密度增加，超導特性增強。該項研究成果豐富了界面超導的研究內容，為完善超導理論，探索更高溫的超導體系提供了很好的研究思路。

該項目得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院戰略性先導研究計劃B等項目的支持。

原文鏈接：http://www.cas.cn/syky/201707/t20170710_4607927.shtml

文獻鏈接：Enhanced superconductivity in restacked TaS₂?nanosheets（JACS,2017, DOI: 10.1021/jacs.7b00216）

本文由材料人編輯部Allen編輯，點我加入材料人編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷。