中科院等科學家合作在Ti-O體系新奇物性研究中取得進展

納米二氧化鈦（TiO2）因具有優異的光電特性，在光催化、新型太陽能電池等領域被廣泛研究。然而，卻鮮有納米TiO，或者其它低價鈦氧化物的合成及其物性探索方面的報道。而Ti-O層的基本物性研究對界面超導的理解和探索具有重要意義。界面效應在界面超導中起決定性的作用，超導特性可以通過界面電荷重新分布來增強甚至產生，因此要求在材料設計和製備方面具有良好界面工程式控制制。

近日，中國科學院科學家團隊——上海硅酸鹽研究所研究員黃富強課題組與北京大學、浙江大學和密蘇里大學堪薩斯分校合作研究，在Ti?O體系新奇物性探索方面取得新進展。該團隊首先通過可控還原技術製備納米TiO，再採用表面氧化策略調控界面效應，獲得了二元Ti?O體系中最高的超導轉變溫度（11K）。相關研究成果以Nano Titanium Monoxide Crystals and Unusual Superconductivity at 11 K為題近期發表於國際材料科學期刊《先進材料》（Adv. Mater.2018, 30, 1706240,DOI: 10.1002/adma.201706240）上，論文共同第一作者為上海硅酸鹽所在讀研究生徐吉健、王東和無機材料分析測試中心工程師姚鶴良，論文通訊作者為黃富強。該工作已申請中國發明專利（201710131497.4）。

為了構築可控界面，研究團隊通過鎂金屬可控還原製備得到納米TiO顆粒，再進一步氧化構建TiO@TiO1+x核殼結構。TiO為從金紅石型二氧化鈦衍生而來的系列亞氧化鈦（TinO2n-1）中的一種，而這系列亞氧化鈦具有類似的晶胞參數，預示著系列Ti?O化合物之間可以精準構築晶格匹配的連續界面。基於電子能量損失譜（EELS）分析，O/Ti摩爾比沿非晶層（~5nm）的徑向方向從1.0到1.9呈正線性變化，表明界面連續。同時，磁性和電子輸運測量證實，TiO@TiO1 +x具有11K的超導轉變溫度，是一種在2K下具有65 Oe的較低臨界場的第二類超導體。這也是首次在二元Ti?O系統中觀察到超過10K的超導特性。此外，這種固相法構建超導界面策略具有廣泛的普適性，易於拓展至釩、鈮等其它NaCl結構的氧化物體系。

黃富強課題組自2012年初即開展黑色二氧化鈦等Ti?O體系的基礎研究，並取得系列創新成果。基於電子結構的帶階設計，利用熱力學原理，發展出氧空位產生、二步元素摻雜等合成黑色氧化鈦的新方法，獲得原創的具有結構的黑色納米TiO2，實現了寬太陽光譜響應、高載流子分離遷移率以及功函數可調等特性，光吸收覆蓋整個太陽光譜的90%（遠優於一般文獻報道的30%），解決了非金屬元素高濃度摻雜的科學難題。在J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.等期刊上發表論文30餘篇，他引3500餘次，4篇文章入選ESI高被引論文；受邀為Chem. Soc. Rev.、Adv. Energy Mater.等期刊撰寫綜述論文。

上述系列研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院和上海市科委等項目的資助。

納米TiO@TiO1+x製備示意圖

納米TiO@TiO1+x超導特性

（來源：中國科學院）

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