新型过渡金属二硫属化合物及磷化物超导体的探索和研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:D243435dsfsdfqwe
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由于过渡金属二硫属化合物(TMDs)具有准二维的晶体结构,可以通过改变其中的元素组合、堆垛层数和插层原子种类和数量等来调控它们的电学、磁学和光学等物理性质,对它们的研究不但具有科学意义,而且也有重要的应用价值。现在人们对过渡金属二硫属化合物(TMDs)超导体中的超导与电荷密度波(CDW)之间的关系仍然有争论。由于过渡金属磷化物具有与目前广泛研究的铁基砷化物超导体相似的晶体结构,在其中也可能发现高温超导体。因此,本课题通过实验并结合理论计算探索了TMDs和过渡金属磷化物的超导电性,取得的主要研究结果如下:我们发现Cu插层2H-TaSe2可以显著增强其超导电性,最大Tc为2.7 K(x=0.07)。对2H-CuxTaSe2(0?x?0.12)的结构和超导电性进行了系统研究。晶体结构精修表明Cu原子位于八面体间隙位置。随着掺杂量的增加,CDW逐渐被压制,超导电性逐渐增强,表明它们之间存在明显的竞争关系。2H-CuxTaSe2中Tc的提高源于掺杂引起的费米能级态密度N(EF)和电子-声子相互作用系数?的显著增加。我们发现过渡后金属Pb、Sn、Bi插层能显著增强TaSe2的超导电性,x=0.1时,Tc分别为2.6 K、2.7 K、2.9 K。在BixTaSe2(0?x?0.16)体系中,仅在x=0.1时发生超导转变。随着掺杂量的增加,晶体结构由4Ha向2H转变。我们还发现Re和Ag取代Ta可以明显提高TaSe2的超导电性,Tc分别为2.4 K和2.75 K。在非化学计量的Ta1+xS2和Ta1+xSe2体系中也发现了增强的超导电性,最大Tc分别为3.5 K和3.2 K。我们发现在Ta1+xSe2中存在两种无序结构:当x?0.06时,是2Hb和3R层组成的混合层结构;当x?0.08时,是三棱柱配位的TaSe2单层的随机堆垛结构。在以上两种无序结构中都观察到了超导增强现象。这些结果对于将来在无序堆垛体系中探索新超导体有重要的参考价值。我们利用第一性原理计算了60种二元过渡金属磷化物的电子结构。通过对其中超导和非超导化合物的电子态密度进行分析,我们总结出预测过渡金属磷化物超导电性的3个判据:(1)费米能级EF应该位于态密度的尖峰处;(2)费米能级态密度N(EF)高;(3)p电子对N(EF)的贡献要达到一定比例。根据这些判据,我们预测了8种超导的过渡金属磷化物,即NbP、TiP2、MoP2、Zr2P、Ir2P、Hf2P、Re3P4和Re6P13。我们通过实验探索了Ta1-xMxP2(M=Ti、W)和其它几个三元磷化物的超导电性。我们在名义组成为Ba1.04Ru2P2.08的样品中发现了10 K以上的超导转变。我们研究了SnxBi1-xTe(0.00?x?0.40)体系的低温物性。通过X射线衍射分析发现在x=0.20时发生BiTe向Bi4Te3的结构转变,在x=0.32时又发生Bi4Te3向Bi2Te的结构转变。电阻测量表明:当0.04?x?0.32时,掺杂样品的电阻表现为金属性;而x=0.40时,样品在T=220 K左右发生绝缘体-金属转变。
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