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  近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所功能材料研究室在類石墨烯結構的低維超導材料研究方面取得系列進展，相關研究結果發表在《物理評論B》（Physical Review B）、《材料化學雜志C》（Journal of Materials Chemistry C）和《應用物理通訊》（Applied Physics Letter）等國際期刊上。

  與石墨烯類似具有低維結構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器件中有潛在的應用前景。近年來一些新型低維材料如硼烯、磷烯、過渡金屬二硫族化合物(化學通式MX2)等被實驗制備出來，但其中復雜的物理現象諸如電荷密度波與超導的關聯，高壓、載流子摻雜等對超導電性的調控機理等方面還不完全清楚。固體所功能材料研究室的研究人員近年來通過理論計算與實驗相結合，在高壓、載流子等調控硼烯、磷烯和MX2材料的超導研究方面取得了系列研究進展。

  研究人員通過第一性原理計算研究了1T-TiTe2在高壓下的超導性質。研究結果表明，靜水壓不利于1T-TiTe2的超導，而單軸壓(沿c方向)有利于超導的出現。超導轉變溫度從常壓下的0.73 K增加到單軸壓17 GPa下的6.34 K。此外，1T-TiTe2在高壓下可以出現拓撲相轉變。高壓下的超導和拓撲特性使得1T-TiTe2成為拓撲超導材料的候選。相關工作發表在Journal of Materials Chemistry C 5, 4167 (2017)。 

  采用載流子摻雜模型理論計算模擬了光場和電場對1T-TaS2的電荷密度波（CDW）影響。研究發現，電子摻雜會導致CDW更加穩定，而空穴摻雜顯著抑制CDW的穩定性。研究人員還預言了一定濃度的空穴摻雜可以誘導出6-7 K的超導電性。在1T-TaS2中可以實現CDW絕緣體態、金屬態、超導態之間的開關效應，在未來的電子學器件中可能有很大的應用前景。相關工作發表在Physical Review B 94, 125126 (2016)。 

  進一步對1T-TaSe2進行了Te元素摻雜的理論和實驗研究。研究結果表明，摻雜導致的Se/Te無序分布抑制了1T-TaSe2中的CDW，同時在CDW消失區域附近發現一個dome(鐘罩)型的超導轉變相。理論計算得到的強電聲耦合導致的晶格畸變引起CDW的出現，可以很好地解釋實驗現象。我們的計算結果可以幫助理解MX2材料中CDW和超導的關聯性。相關工作發表在Physical Review B 94, 045131 (2016)。 

圖 1、1T-TiTe2在單軸壓下的平均聲子振動頻率（ωlog）、電聲耦合強度和超導轉變溫度的變化情況（左）以及單軸壓力對材料性質影響的示意圖（右） 

圖 2、1T-TaSe2的聲子譜（左上）以及對應的聲子線寬（右上），1T-TaS2（左下）和1T-TaSe2（右下）調控示意圖

  硼烯是最近被實驗成功制備的具有金屬基態的單原子層材料。課題組通過理論計算預言了硼烯具有超導的可能性，并且應力和載流子摻雜可以調控硼烯的超導電性。拉伸應力可以把超導轉變溫度從19.0 K提高到27.4 K，而空穴摻雜可以提高到34.8 K。相關工作發表在Applied Physics Letter 109, 122604 (2016)。 

  磷烯是具有單層結構的黑磷，具有比石墨烯更好的半導體性能。課題組理論預言了磷烯具有優異的熱電性能，并且施加應力可以通過能帶匯聚效應進一步增強其熱電性能。他們還通過理論計算，指出通過電子摻雜在磷烯中可誘導出超導電性。這將大大拓展磷烯的應用范圍。相關工作發表在Physical Review B 90, 085433 (2014)和Europhysics Letters 108 67004 (2014)。 

圖 3、應力下硼烯的態密度、聲子譜、ωlog、電聲耦合強度和超導轉變溫度等的變化圖

圖 4、磷烯在電荷摻雜下的聲子譜（左）和應力下的ωlog、電聲耦合強度和超導轉變溫度等的變化情況（右）

  此外，研究人員還從理論上提出通過應力可以有效調控單層1T-CrSe2/CrTe2的反鐵磁-鐵磁相轉變，特別是拉伸應力能夠增強材料的鐵磁居里溫度高于室溫。相關工作發表在Physical Review B 92, 214419 (2015)。 

  上述工作是由孫玉平研究員和魯文建研究員課題組的邵定夫、呂紅艷、肖瑞春和劉育博士等完成。部分研究工作是與中科院強磁場中心和中科院物理所共同合作完成。研究工作得到了國家重點研發計劃項目和國家自然科學基金項目的資助。

  文章鏈接：

1. http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2017/TC/C7TC00209B

2. https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.94.125126

3. https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.94.045131

4. http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4963179

5. https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.90.085433

6. http://iopscience.iop.org/article/10.1209/0295-5075/108/67004/meta

7. https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.92.214419