压力下二维半导体InSe和镧氢化合物的超导研究

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物态调控是目前凝聚态物理领域主要的研究内容之一,很多新的物理现象都是在对物质的性质调控过程中发现的,同时不同调控手段可以改变物质的电子结构、晶体结构等,对于凝聚态物理的发展起着重要的作用。高压可以减小原子间距,增加电子轨道重叠区域,改变电荷分布,诱导晶体结构或电子结构转变。而且,高压不会引入杂质元素,在物理上是一种“干净”的调控手段,通过高压调控方法能够研究物质更本征的物理行为。超导态表现出零电阻和完全抗磁性,在物理研究和应用上都具有巨大的研究价值,对超导材料的探索和调控具有重要的意义。高压对电子结构具有很好的调控作用,在高压下,许多材料会进入超导态。本文主要研究了在压力的调控下,层状半导体InSe和镧氢化合物的超导行为。InSe属于Ⅲ-Ⅵ族层状半导体,具有奇特的电子结构。基于不同的原子层堆垛序列,InSe有多种类型,其中,γ-InSe是一种直接带隙半导体,而且能隙会受到样品厚度和应力等影响,因此在光电子学等领域有重要的应用价值。考虑到目前对块状InSe在更高压下及低温下(低至2 K)的电输运行为还不清楚,因此,我们首先研究了 InSe在高压下的电输运行为和结构相变,进一步通过第一性原理计算研究了不同压力下InSe电子结构。首先,我们研究了 InSe在高压下的电输运行为,在10 GPa以内,电阻随着温度降低而逐渐增加,表现出半导体行为,压力增加到10 GPa左右,电阻逐渐从半导体行为转变为金属行为,进一步加压,发现在40.6 GPa时,开始出现超导,Tc=2.21 K。而且我们发现Tc与压力并不是单调关系,而是表现出穹顶状结构,在43.5 GPa达到最大,为Tc=2.27K,进一步加压,Tc逐渐降低。然后,我们结合拉曼光谱分析和前人的研究结果,确定了 InSe在高压下的结构相变。在10 GPa左右,InSe会从常压下的R3m相转变到Fm3m相,Fm3m相在30 GPa以内都是稳定的,进一步加压到40 GPa,会进入Pm3m相。我们进一步通过第一性原理计算研究了 InSe在不同压力下的能带结构,在0 GPa和20GPa下,能带结构分别表现出典型的半导体特征和金属特征,与电输运测量结果一致,比较奇特的是,在50 GPa下的电子能带结构具有拓扑性质,因此,InSe在超导和拓扑研究中可能存在一定的意义,有可能作为一种候选的拓扑超导材料。理论上认为氢化合物在高压下具有较高的超导转变温度,人们在高压下发现H3S具有Tc=203K的超导,向室温超导迈出了重要的一步。随后,许多人开始研究其他氢化物的超导,最近人们在LaH10中发现170 GPa时具有Tc=250K的超导,引起了人们的广泛关注,向着室温超导前进了一大步,之后在高压下,具有更高超导转变温度的氢化合物也被人们合成出来。为了研究其他的氢化物超导体,我们在这篇文章中对镧氢化合物的超导进行了研究,希望重复出目前报道的LaH10在高压下的高温超导电性,为后续研究其它氢化物超导体做准备。我们首先在150GPa压力下,使用镧金属单质和硼氨烷(NH3BH3)作为反应物,使用原位激光加热技术合成了镧氢化合物,经过两次加热,最终超导转变温度Tc=247K,与目前报道的在同样压力下合成的LaH10的超导转变温度Tc=249 K比较接近,而且在这个转变温度下理论和实验没有报道其他类型的镧氢化合物,因此我们认为合成的就是LaH10。除了 247 K的温度转变点,我们在合成的其他样品中,还发现了降温过程中存在164K的温度转变点,理论和实验都没有报道这一转变点对应的单一成分镧氢化合物,我们认为这可能是由于氢含量不足,反应生成了不同的氢化合物,形成了混相。通过高压实验,我们得到了以下结论:InSe层状半导体在40.6 GPa以上是超导体,超导转变温度最大值为2.27 K,同时通过激光原位加热技术,我们在高温高压合成了 LaH10,测得的超导转变温度与目前报道的一致。
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