合肥研究院在低維超導(dǎo)材料理論研究方面取得系列進(jìn)展

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曉木蟲

合肥研究院在低維超導(dǎo)材料理論研究方面取得系列進(jìn)展

摘要: 　　近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)學(xué)習(xí)院固體物理學(xué)習(xí)所功能材料學(xué)習(xí)室在類石墨烯結(jié)構(gòu)的低維超導(dǎo)材料學(xué)習(xí)方面取得系列進(jìn)展，相關(guān)學(xué)習(xí)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 Material ...

　　近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)學(xué)習(xí)院固體物理學(xué)習(xí)所功能材料學(xué)習(xí)室在類石墨烯結(jié)構(gòu)的低維超導(dǎo)材料學(xué)習(xí)方面取得系列進(jìn)展，相關(guān)學(xué)習(xí)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(guó)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(lái)一些新型低維材料如硼烯、磷烯、過(guò)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(lái)，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。固體所功能材料學(xué)習(xí)室的學(xué)習(xí)人員近年來(lái)通過(guò)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)學(xué)習(xí)方面取得了系列學(xué)習(xí)進(jìn)展。
　　學(xué)習(xí)人員通過(guò)第一性原理計(jì)算學(xué)習(xí)了1T-TiTe2在高壓下的超導(dǎo)性質(zhì)。學(xué)習(xí)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(chǎng)和電場(chǎng)對(duì)1T-TaS2的電荷密度波（CDW）影響。學(xué)習(xí)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。學(xué)習(xí)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(lái)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)學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)結(jié)果表明，摻雜導(dǎo)致的Se/Te無(wú)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。學(xué)習(xí)人員的計(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)。
　　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(guò)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(guò)能帶匯聚效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)其熱電性能。他們還通過(guò)理論計(jì)算，指出通過(guò)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)。
　　此外，學(xué)習(xí)人員還從理論上提出通過(guò)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)。
　　上述工作由孫玉平和魯文建課題組的邵定夫、呂紅艷、肖瑞春和劉育等完成。局部學(xué)習(xí)工作與合肥學(xué)習(xí)院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心和中科院物理學(xué)習(xí)所共同合作完成。學(xué)習(xí)工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。
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