界面效应用于TMD超导体系研究获进展

摘要: 　　近日，中国科学院上海硅酸盐学习所、上海微系统与信息技术学习所、北京大学等共同合作学习，通过化学剥离成单层TaS2纳米片，以及纳米片抽滤自组装而重新堆叠成TaS2薄膜。重新组装的TaS2薄膜打破了原母体的晶体结 ...

　　近日，中国科学院上海硅酸盐学习所、上海微系统与信息技术学习所、北京大学等共同合作学习，通过化学剥离成单层TaS2纳米片，以及纳米片抽滤自组装而重新堆叠成TaS2薄膜。重新组装的TaS2薄膜打破了原母体的晶体结构，形成了丰富的均质界面，并获得了比母体材料更高的超导转变温度和更大的上临界场。相关学习成果以Enhanced superconductivity in restacked TaS2 nanosheets 为题发表于国际期刊美国化学会志（Journal of American Chemical Society，DOI: 10.1021/jacs.7b00216）。论文第一作者为上海硅酸盐所在读学习生潘杰，通讯作者为学习员黄富强。
　　自1911年超导被发现以来，超导的学习成为凝聚态物理皇冠上一颗最璀璨的明珠。目前超导材料已经用在人们生活的各个方面，包括超导电线，医院使用的超导核磁共振成像仪以及磁悬浮列车等。然而，尽管超导材料有很多的优势，但由于目前超导材料的最高超导温度在零下100多摄氏度，成本仍然很高，难以大面积地推广。因此，追求更高温甚至室温超导是物理学家们的梦想，也具有极高的实际价值。
　　目前，由于不足理论的支持，高温超导的探索步履维艰。传统的BCS理论难以解释40 K以上超导的机理，因此需要提出更完备、更深刻的理论来解释高温超导现象，并为高温超导的探索提供指路明灯。界面超导的发现是近几年超导领域的一个新亮点。2007年，在LaAlO3/SrTiO3界面发现超导电性后 (Science. 2007， 317， 1196)，引起了学习者的关注。随后，在绝缘体La2CuO4/金属相La2-xSrxCuO4界面也发现了高温超导增强特性(Nature， 2008， 455， 782)。最近，中国科学家们发现，SrTiO3单晶/单层FeSe体系的超导转变温度Tc（65 K，Nature Materials， 2013， 12， 605)，远高于FeSe块体相的Tc（8 K），同样界面效应在其中起到决定性的作用。界面超导的学习为物理学家们探索高温超导提供了崭新的思路，具有重大的理论学习价值。过渡金属二硫族化合物MQ2（M=Ti， Nb， Ta， Mo， W等）的晶体结构由二维[MQ2]
　　层组成，层间存在弱作用力，是一种准二维的电子系统，在低温下具有丰富的物理特性。由于其特殊的结构特点，可以通过各种物理或者化学的手段对它们进行剥离，获得单层的MQ2层。其中，2H-TaS2是一种典型的电荷密度波（CDW）与超导共存的TMD材料，通过插层或高压的方式可以抑制CDW转变，增强2H-TaS2的超导特性。然而，界面调控2H-TaS2电子结构却未见报道。
　　为了在TaS2中构筑丰富的界面，学习团队通过采用碱金属离子插层剥离的方法获得单层的TaS2纳米片，并通过抽滤的方式对其进行组装，得到重堆叠的TaS2薄膜。薄膜内部层与层之间发生无规则的扭曲，破坏了原先的晶体结构，形成了均质的界面。经过进一步的学习发现，重堆叠TaS2薄膜的电子比热系数γ两倍于块体的2H-TaS2。基于固体比热的德拜模型理论，更大的电子比热系数γ说明重堆叠TaS2薄膜的费米面附近具有更多的电子态密度。为了更好地解释重堆叠TaS2薄膜超导增强的机理，学习团队采用密度泛函理论（DFT）对两种材料的电子结构进行模拟分析。计算结果发现重堆叠后的TaS2薄膜，因层与层之间存在扭曲，界面处电子的离域化程度增强，由此导致费米面附近的电子态密度增加，超导特性增强。该项学习成果丰富了界面超导的学习内容，为完善超导理论，探索更高温的超导体系提供了很好的学习思路。
　　该项目得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院战略性先导学习计划B等项目的支持。

　　图1. a，重堆叠TaS2薄膜的结构示意图；b，重堆叠TaS2薄膜的XRD图谱；c，重堆叠TaS2薄膜的HAADF-STEM图像；d，重堆叠TaS2薄膜的选区电子衍射。

　　图2. a，重堆叠TaS2薄膜的磁矩随温度的依赖关系，插图：重堆叠TaS2薄膜的磁矩随磁场的变化关系；b， 2H-TaS2粉末以及重堆叠TaS2薄膜的电阻随着温度的变化关系；c，不同磁场下重堆叠TaS2薄膜的电阻随温度的变化关系；d，重堆叠TaS2薄膜的比热性能测试。界面效应用于TMD超导体系研究获进展 | 责任编辑：虫子