Adv. Mater.：新型插层过渡金属硫族化合物超导体Pb-(TaSe2)2的连续相变研究

点击蓝字关注我们

 新型超导材料、特别是拓扑超导体的探索是量子材料的前沿研究热点。过渡金属硫族化合物(TMDCs)具有丰富的结构类型和化学组成，能够孕育奇特的量子物态如电荷密度波(CDW)、Ising超导电性、量子自旋霍尔绝缘体等。因此, 该类化合物成为探索新奇量子物态的有趣载体。一方面，TMDCs由于较弱的层间相互作用(范德瓦耳斯力)，很容易被插入客体原子或集团，因此它的量子物态可以被调控，如Pb插层PbTaSe2相表现出拓扑超导电性，而母体的电荷密度波被完全抑制。另一方面，层与层之间的堆垛方式也成为调控TMDCs量子物态的重要方式，如它们的摩尔超晶格中发现了一系列平带色散和拓扑相等新奇物相。然而，迄今为止，金属插层TMDCs的高阶相和其不同堆垛方式的相互转化仍未被充分探索和研究。

      最近浙江大学许祝安课题组、西湖大学林效研究员、上海大学鲍金科和德国拜罗伊特大学Sander van Smaalen教授等合作，在该课题组前期关于晶格失配化合物晶体的可控生长的研究基础上，首次预测并成功合成了金属原子插层TMDCs的高阶化合物Pb-(TaSe2)2 (简称Pb-124)(图1)。详细的物性测量表明该化合物在230 K附近具有两步连续、可逆的一级结构相变(图2)，明显区别于传统TMDCs材料中的CDW转变。

图1. 气相输运法生长Pb-Ta-Se相关单晶的示意图。

图2. Pb-(TaSe2)2材料的原子结构以及基本物性测量：高分辨透射电镜图、电阻率、热导率、热电势、霍尔系数以及DSC差热分析结果。 

基于同步辐射单晶X射线衍射技术，成功解析出了不同温区各相的原子结构，并对其结构相变的微观机制进行了详细的研究(图3)。这种堆垛相变保持单层[Pb-(TaSe2)2]模块排布，只涉及模块之间的相对连续滑移(滑移基矢[1/3,2/3,0]), 堆垛序列由高温相ABCABC排列过渡到中间相ABABAB，最终转变为低温相ACBACB。这些滑移相变伴随着Pb-Se的配位由四面体逐步转变成稳定的哑铃状结构。值得注意的是，在相变附近巨大的负热膨胀效应为其潜在应用提供可能。 

图3. 不同温度下的同步辐射单晶XRD的衍射图以及结构相变的微观示意图。

Pb-124相除了保留TaSe2的的超导性质外(转变温度约为1.8 K)，进一步的能带计算表明该非中心对称超导体具有拓扑的能带结构(图4)。此体系不仅丰富我们对TMDCs材料的多态结构相变的理解，为这类材料结构和物性的研究注入了新鲜的血液，并大大促进了对高阶插层材料的构筑和拓扑物相的探索。

图4. 高温相I、中间相II和低温相III中的拓扑能带结构，以及中间相II中哑铃状和四面体配位的平面平均差分电荷密度图。

该研究相关成果于2020年12月6日在线发表在Adv. Mater. 上 (DOI: 10.1002/adma.202108550)。 

浙江大学许祝安教授，西湖大学林效研究员和德国拜罗伊特大学Sander van Smaalen 教授是本文的共同通讯作者，博士后杨小慧、洪堡学者鲍金科和博士生娄哲丰是本文的共同第一作者。该项研究的主要合作者还包括浙江大学的曹光旱、刘洋教授和南京大学的聂越峰教授，西湖大学李文彬研究员、浙江工业大学孙土来研究员等。该研究工作得到了科技部重点研发专项、国家自然科学基金、浙江省省自然科学基金、西湖大学交叉学科初创中心项目的支持。

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202108550

相关进展

化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至[e-mail]，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。