中大新聞網(wǎng)訊（通訊員孫勇）以銅基、鐵基層狀材料為代表的高溫超導(dǎo)體的出現(xiàn)，為尋找具有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值的超導(dǎo)材料帶來(lái)希望；但傳統(tǒng)的BCS理論已不能全面描述其超導(dǎo)行為，關(guān)聯(lián)電子的配對(duì)機(jī)制仍是未解之謎。當(dāng)前，通過(guò)制備高質(zhì)量單晶（薄膜）產(chǎn)品，采用先進(jìn)表征策略探究其微觀(guān)機(jī)制是凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域經(jīng)久不衰的熱門(mén)話(huà)題。同時(shí)，這類(lèi)材料中，絕大多數(shù)具有強(qiáng)烈的環(huán)境敏感性，極大阻礙了物性研究的深入開(kāi)展以及量子器件的制作。
自2012年以來(lái)，多國(guó)科學(xué)家從理論和實(shí)驗(yàn)上報(bào)道了Bi-O-S(包括Bi4O4S3和Bi3O2S3)是一類(lèi)新型的非常規(guī)超導(dǎo)體，擁有和銅基層狀材料類(lèi)似的庫(kù)電層-導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)，重要的是，由于其結(jié)構(gòu)中(Bi2O2)2+層的存在，該材料具有優(yōu)異的空氣穩(wěn)定性。但是到目前為止，Bi-O-S相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究主要依賴(lài)于固體燒結(jié)的粉體材料，其中的雜質(zhì)以及堆垛層錯(cuò)無(wú)法避免，相關(guān)Bi-O-S純相材料尚未成功制備。 此外，Bi4O4S3和Bi3O2S3的晶體結(jié)構(gòu)是通過(guò)精修XRD來(lái)確定，甚至有研究指出Bi4O4S3其實(shí)是超導(dǎo)相Bi3O2S3中包含Bi2OS2堆疊層錯(cuò)，而且Bi2OS2堆疊層錯(cuò)會(huì)嚴(yán)重影響其超導(dǎo)特性。因此，制備純相材料特別是單晶二維結(jié)構(gòu)對(duì)于揭示Bi-O-S超導(dǎo)材料的本征超導(dǎo)特性具有重要意義。
近日，中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院孫勇副教授、王成新教授課題組通過(guò)對(duì)Bi3O2S3生長(zhǎng)的熱動(dòng)力學(xué)窗口進(jìn)行摸索分析，掌握了化學(xué)氣相沉積制備二維Bi3O2S3的關(guān)鍵條件,在此基礎(chǔ)上成功制備出高質(zhì)量的少層單晶Bi3O2S3納米片。通過(guò)系統(tǒng)的球差電鏡以及原子級(jí)能譜掃描，成功證明了Bi3O2S3中的(Bi2O2)2+-(BiS2)--(S2)2-的層狀堆疊結(jié)構(gòu)（圖1），厘清了存在已久的晶體結(jié)構(gòu)爭(zhēng)議，該結(jié)構(gòu)與高溫銅氧化物超導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)具有相似性。通過(guò)理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)(S2)2-的引入使材料發(fā)生了金屬化，為超導(dǎo)層(BiS2)-注入載流子，促成超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。低溫磁輸運(yùn)結(jié)果表明Bi3O2S3納米片在6.1 K附近發(fā)生了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，而且與常規(guī)二維層狀材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度厚度依賴(lài)性不同，該材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度不依賴(lài)于材料厚度，與高溫銅氧化物的超導(dǎo)特性類(lèi)似。通過(guò)角依賴(lài)上臨界場(chǎng)以及變溫電壓-電流曲線(xiàn)測(cè)量(圖2)，揭示了體系中BKT相變相關(guān)的二維超導(dǎo)特性。該二維超導(dǎo)材料的成功制備，擴(kuò)展了二維材料的大家族，為構(gòu)建Bi-O-S超導(dǎo)材料體系的構(gòu)效關(guān)系指明方向，同時(shí)其與銅氧化物類(lèi)似的結(jié)構(gòu)以及超導(dǎo)特性為研究高溫超導(dǎo)機(jī)理提供了一個(gè)新的平臺(tái)。
圖1：Bi3O2S3的結(jié)構(gòu)表征以及磁輸運(yùn)測(cè)量。（a, b）HAADF-STEM原子像；（c）ABF-STEM原子像；（d）原子級(jí)EDS掃描；（e）電阻-溫度曲線(xiàn)；（f） 不同磁場(chǎng)下的低溫區(qū)電阻-溫度曲線(xiàn)；（g）不同溫度下的電阻-磁場(chǎng)曲線(xiàn)。
圖2： Bi3O2S3的二維超導(dǎo)特性。(a) 不同磁場(chǎng)方向的電阻-磁場(chǎng)曲線(xiàn)；（b）二維Tinkham公式擬合的角度依賴(lài)上臨界場(chǎng)曲線(xiàn)；（c）不同溫度的電壓-電流曲線(xiàn)；（d）臨界電流-溫度曲線(xiàn)；（e）雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的電壓-電流曲線(xiàn)；（f） BKT相變溫度。
該工作相關(guān)成果以“Two-Dimensional Superconductivity in Air-Stable Single-Crystal Few-Layer Bi3O2S3”為題發(fā)表于A(yíng)CS旗下期刊Journal of the American Chemical Society)。材料科學(xué)與工程學(xué)院2020級(jí)直博生鄒曉彬?yàn)檎撐牡谝蛔髡撸醭尚陆淌诩捌鋱F(tuán)隊(duì)孫勇副教授為論文的共同通訊作者。該研究工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金以及廣東省自然科學(xué)基金的大力支持。
