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科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種材料的四種形態(tài)：超導(dǎo)體、金屬、半導(dǎo)體和絕緣體

文章來源：新能源網(wǎng) 更新時間：2025-04-27 15:57:32

日本理化學(xué)研究所的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了如何利用專門的晶體管技術(shù)將二硫化鉬制成超導(dǎo)體、金屬、半導(dǎo)體或絕緣體。通過插入鉀離子并調(diào)整條件，它們可以引發(fā)材料電子態(tài)的劇烈變化——甚至出乎意料地將其轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體或絕緣體。這種對單一二維材料的全新控制水平，有望為下一代電子學(xué)和超導(dǎo)研究帶來激動人心的突破。

釋放單一材料的多功能性

日本理化學(xué)研究所（RIKEN）的物理學(xué)家團(tuán)隊開發(fā)了一種基于晶體管的技術(shù)，該技術(shù)可使單層材料呈現(xiàn)出多種電子行為，使其能夠充當(dāng)超導(dǎo)體、金屬、半導(dǎo)體或絕緣體。這種方法有望幫助人們發(fā)現(xiàn)新的超導(dǎo)材料。

領(lǐng)導(dǎo)這項研究的日本理化學(xué)研究所新興物質(zhì)科學(xué)中心的巖佐義弘 (Yoshihiro Iwasa) 表示：“從材料科學(xué)的角度來看，基于單一材料的多種電子特性對我們來說非常有趣。”

所討論的材料是二硫化鉬（MoS 2），它可以分離成原子級薄層。每層由夾在硫原子層之間的鉬原子組成。根據(jù)這些硫原子的排列方式，MoS 2可以存在于兩種不同的結(jié)構(gòu)相中：2H相，其行為類似于半導(dǎo)體；以及1T相，其行為類似于金屬。

Iwasa 指出：“2H 二硫化鉬在下一代半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用前景十分廣闊。”

場效應(yīng)晶體管的照片。插圖中心的青綠色區(qū)域是二硫化鉬薄片，它可以是超導(dǎo)體、金屬、半導(dǎo)體或絕緣體

利用鉀離子引導(dǎo)相移

為了探索材料如何在不同相之間轉(zhuǎn)變，研究人員構(gòu)建了一個場效應(yīng)晶體管，并將其連接到2H相二硫化鉬樣品上。通過調(diào)節(jié)施加到晶體管上的電壓，他們能夠高精度地控制鉀離子插入材料。

隨著鉀濃度的增加，材料突然從2H相轉(zhuǎn)變?yōu)?T相。這種變化發(fā)生在每五個鉬原子對應(yīng)約兩個鉀離子的情況下，突顯了離子濃度與相行為之間的明確聯(lián)系。

觸發(fā)超導(dǎo)性

然后，通過加入適量的鉀并將樣品冷卻至-268°C，研究人員發(fā)現(xiàn)1T相變成了超導(dǎo)體。

雖然此前在2H相中也觀察到了超導(dǎo)現(xiàn)象，但這在1T相中卻是意料之外的，而且發(fā)生在不同的溫度下。“對我們來說，最大的驚喜是，當(dāng)我們引入鉀離子時，我們觀察到了超導(dǎo)現(xiàn)象，”Iwasa說道。

意外的絕緣轉(zhuǎn)變

更多的驚喜還在后頭。當(dāng)研究人員讓1噸二硫化鉬中的鉀離子泄漏出來，直到鉀離子含量相對較低，并將其溫度設(shè)定為-193°C時，這種材料從金屬變成了絕緣體。

“我們發(fā)現(xiàn)這很有趣，因為我們沒想到會發(fā)生這種現(xiàn)象，”Iwasa 說。

這些結(jié)果表明，以這種方式引入鉀離子是控制二硫化鉬等二維材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的有效方法。

“我們在過去十年里一直在開發(fā)這種方法，”Iwasa說道。“我們已經(jīng)證明，它不僅有助于探索超導(dǎo)體及其相關(guān)電子相的新特性，還有助于發(fā)現(xiàn)新的超導(dǎo)體。”

編譯自/ScitechDaily

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