科學家發現具有新型層狀結構的超導體

最新 03-06

近年來，層狀含鉍化合物因其在熱電材料、拓撲絕緣體以及光催化材料等領域所表現出的優異性質而受到廣泛的關注和研究。2012年Mizuguchi Y.等人報道了Bi4O4S3和LaO1–xFxBiS2的超導電性，隨後人們發現了Bi3O2S3，REO1–xFxBiS2(RE = La, Ce, Pr, Nd, Yb)、La1-xMxOBiS2(M = Ti, Zr, Hf, Th)，Sr1–xLaxFBiS2和LaO1–xFxBiSe2等數十種超導體，共同構成了BiCh2基超導體家族（Ch = S或Se）。這一家族的所有化合物均含有[Bi2Ch4]2–超導層，以及多種不同的絕緣層，如[Bi2O2]2 ，[RE2O2]2 ，[Sr2F2]2 和[Eu3F4]2 層等。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心超導國家重點實驗室SC10組長期進行新型超導體的探索研究，在2014年即首次報道了LaO1–xFxBiSSe中增強的超導電性（arXiv: 1404.7562）。最近，該研究組的博士研究生阮彬彬、趙康等人在研究員任治安的指導下，發現了新型四元化合物Bi3O2S2Cl。粉末X射線衍射表明該化合物屬於I4/mmm (No. 139) 空間群，晶格常數a = 3.927(1)埃，c = 21.720(5)埃。通過調節S含量，Bi3O2S2Cl實現了從半導體到超導體的轉變，超導轉變溫度Tc約為3.5 K（圖1）。

通過與先進材料與結構分析實驗室研究員楊槐馨等人合作的透射電鏡研究分析表明，Bi3O2S2Cl由[Bi2O2]2 和[BiS2Cl]2–層交替堆疊構成（圖2）。其中[BiS2Cl]2–層是由Bi-Cl無限四方平面層構成，S原子位於八面體上下頂點上。在鉍的鹵化物中，該類型的結構尚屬首次報道。霍爾效應測量表明該化合物為n型半導體，通過S空位的摻雜，可以引入載流子進而誘發超導。該化合物的超導層為[BiS2Cl]2–層，與已知的BiCh2基超導體均不相同。研究小組通過優化實驗條件，成功得到了Bi3O2S2Cl單晶樣品，並在此樣品中觀測到體超導電性，Tc約為2.8 K（圖3）。

在Bi3O2S2Cl中所發現的新型[BiS2Cl]2–層是一種新的結構單元，通過改變絕緣層[Bi2O2]2 ，有望合成出更多的新型層狀含鉍化合物，在新型超導體和熱電材料等研究領域具有重要價值。該研究成果發表於《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society, 2019, 141, 3404-3408（DOI: 10.1021/jacs.8b13796））。

該項研究工作得到國家自然科學基金委員會、科技部「973」項目、中科院先導項目和中科院青年創新促進會優秀會員基金以及松山湖材料實驗室的支持。