中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所與強磁場科學中心組成的聯合研究團隊, 在過渡金屬二硫屬化物2H-MoS2的超高壓研究中取得進展. 研究團隊利用金剛石對頂砧高壓發生裝置, 通過低溫電輸運和同步輻射x射線衍射測量, 首次觀測到高壓誘導2Ha-MoS2的超導電性, 並通過密度泛函理論計算解釋超導出現的微觀機制, 相關結果以《2Ha-MoS2超高壓下的超導電性》為題, 發表在《物理評論快報》上, 並被選為編輯推薦文章.
過渡金屬二硫屬化物MX2(M為過渡金屬Ti, Nb, Ta, Mo, W; X為硫族元素S, Se, Te)具有和石墨類似的層狀結構, 根據單胞中X-M-X三明治單層的數目及MX6配位多面體的不同, 可以分為1T, 1T′, Td, 2H等多形體, 其電子學基態涵蓋電荷密度波, 莫特絕緣體, 激子絕緣體, 半導體, 半金屬, 金屬及超導等. 其中金屬2H-NbS2, 2H-NbSe2, 2H-TaS2和2H-TaSe2常壓下即表現電荷密度波和超導共存競爭的行為. 實驗研究表明, 通過化學插層和施加外部壓力均可抑制電荷密度波轉變, 從而在激子絕緣體1T-TiSe2和莫特絕緣體1T-TaS2中誘導超導電性; 另外, 實驗研究表明在無電荷密度波的外耳半金屬Td-WTe2中通過施加外部壓力也可以誘導超導電性. 半導體2Hc-MoS2常壓下未發現電荷密度波轉變, 實驗上證實通過化學插層和施加靜電場偏壓可以誘導超導電性, 但迄今為止還沒有壓力誘導超導電性的實驗證據.
該研究團隊基於自主搭建的高壓綜合測試平台, 通過標準四引線低溫電輸運測量發現: 2Ha-MoS2在90GPa以上開始呈現超導電性, 超導轉變臨界溫度Tc約為3K. 隨著壓力進一步升高, Tc急劇增加, 並在120GPa左右達到11K左右, 然後在130~220GPa壓力範圍內, Tc保持在12K左右不變. 高壓同步輻射x射線衍射測量表明2Ha-MoS2在40~155GPa壓力範圍內無結構相變, 非晶化或者分解發生, 從而表明超導是2Ha-MoS2相的本徵態. 通過密度泛函計算髮現超導可以歸因於2Ha-MoS2電子結構中高壓誘導的新空穴型費米口袋的出現. 該工作首次在常壓無電荷密度波的2H結構過渡金屬二硫屬化物半導體中, 通過壓力調控研究觀察到超導電性, 豐富了過渡金屬二硫屬化物體系的壓力-溫度相圖.
研究工作得到了國家重點研發計劃, 國家自然科學基金和安徽省自然科學基金等的資助.
圖1.金剛石對頂砧中樣品和電極布局圖.
圖2.2H-MoS2的壓力-溫度相圖.
