中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心超導(dǎo)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室SC10組長期進(jìn)行新型超導(dǎo)體的探索研究,在2014年即首次報(bào)道了LaO1–xFxBiSSe中增強(qiáng)的超導(dǎo)電性(arXiv: 1404.7562)。最近,該研究組的博士研究生阮彬彬、趙康等人在任治安研究員的指導(dǎo)下,發(fā)現(xiàn)了新型四元化合物Bi3O2S2Cl。粉末X射線衍射表明該化合物屬于I4/mmm (No. 139) 空間群,晶格常數(shù)a = 3.927(1) ,c = 21.720(5) 。通過調(diào)節(jié)S含量,Bi3O2S2Cl實(shí)現(xiàn)了從半導(dǎo)體到超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變,超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc約為3.5 K。(圖1)
圖1. Bi3O2S2Cl的晶體結(jié)構(gòu)以及自摻雜引起的超導(dǎo)電性
通過與先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)室楊槐馨研究員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(gòu)成(圖2)。其中[BiS2Cl]2–層是由Bi-Cl無限四方平面層構(gòu)成,S原子位于八面體上下頂點(diǎn)上。在鉍的鹵化物中,該類型的結(jié)構(gòu)尚屬首次報(bào)道。霍爾效應(yīng)測量表明該化合物為n型半導(dǎo)體,通過S空位的摻雜,可以引入載流子進(jìn)而誘發(fā)超導(dǎo)。該化合物的超導(dǎo)層為[BiS2Cl]2–層,與已知的BiCh2基超導(dǎo)體均不相同。
圖2. 多晶Bi3O2S2Cl的SEM與TEM圖譜
研究小組通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件,成功得到了Bi3O2S2Cl單晶樣品,并在此樣品中觀測到體超導(dǎo)電性,Tc約為2.8 K(圖3)。在Bi3O2S2Cl中所發(fā)現(xiàn)的新型[BiS2Cl]2–層是一種新的結(jié)構(gòu)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(dǎo)體和熱電材料等研究領(lǐng)域具有重要價(jià)值。
圖3. Bi3O2S2Cl單晶樣品的超導(dǎo)電性與XRD衍射圖譜
該研究成果發(fā)表在Journal of the American Chemical Society, 2019, 141, 3404-3408(DOI: 10.1021/jacs.8b13796)。該項(xiàng)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委員會、科技部973項(xiàng)目、中科院先導(dǎo)項(xiàng)目和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會優(yōu)秀會員基金以及松山湖材料實(shí)驗(yàn)室的支持。
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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b13796
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