科学家成功制备重堆叠的二硫化钽超导薄膜材料

中科院上海硅酸盐研究所黄富强研究团队与中科院上海微系统所、北京大学等合作，通过化学剥离成单层二硫化钽纳米片并将纳米片抽滤自组装而重新堆叠成二硫化钽薄膜。重新组装的二硫化钽薄膜打破了原母体的晶体结构，形成了丰富的均质界面，并获得了比母体材料更高的超导转变温度和更大的上临界场。相关研究成果日前发表于《美国化学学会杂志》。

自1911年超导被发现以来，超导的研究成为凝聚态物理皇冠上一颗最璀璨的明珠。目前超导材料已应用在包括超导电线，医院使用的超导核磁共振成像仪以及磁悬浮列车等各个方面。然而，尽管超导材料有很多的优势，但由于目前超导材料的最高超导温度在零下100多摄氏度，成本仍然很高，难以大面积地推广。因此，追求更高温甚至室温超导是物理学家们的梦想，也具有极高的实际价值。

“目前由于缺乏理论的支持，高温超导的探索步履维艰。”论文第一作者、上海硅酸盐所的硕士研究生潘杰表示，传统的以弱的电-声相互作用为前提的BCS理论难以解释40 K以上超导的机理，因此需要提出更完备、更深刻的理论来解释高温超导现象，并为高温超导的探索提供指路明灯。界面超导的发现是近几年超导领域的一个新亮点。然而，界面调控六方相二硫化钽（2H-TaS2）的电子结构却未见报道。

为了在二硫化钽中构筑丰富的界面，研究团队通过采用碱金属离子插层剥离的方法获得单层的二硫化钽纳米片，并通过抽滤的方式对其进行组装，得到重堆叠的二硫化钽薄膜。薄膜内部层与层之间发生无规则的扭曲，破坏了原先的晶体结构，形成了均质的界面。进一步的研究发现，重堆叠二硫化钽薄膜的电子比热系数γ两倍于块体的六方相二硫化钽。基于固体比热的德拜模型理论，更大的电子比热系数γ说明了重堆叠二硫化钽薄膜的费米面附近具有更多的电子态密度。

为了更好地阐述重堆叠二硫化钽薄膜超导增强的机理，研究团队采用密度泛函理论对两种材料的电子结构进行模拟分析。计算结果发现重堆叠后的二硫化钽薄膜，因层与层之间存在扭曲，界面处电子的离域化程度增强，由此导致了费米面附近的电子态密度增加，超导特性增强。

黄富强研究员表示，这项研究成果丰富了界面超导的研究内容，为完善超导理论，探索更高温的超导体系提供了很好的研究思路。