共占位稳定的新型层状过渡金属硫族化合物合成和物性研究

Layered transition metal chalcogenides have raised great concern in global research field due to the discovery of unconventional superconductivity and excellent property in recent years. It has been found that the mixed occupancy in this system plays a key role on stabilizing the structure and inducing the novel physical properties. However, phase rule, nonstoichiometric and occupancy-property relationship of this kind of materials are still under development. This project focuses on the layered transition metal chalcogenide functional materials with stable mixed occupancy in structure. Firstly, we propose to obtain the new layered transition metal materials with chemical substitution in known structures with stable mixed occupancy. Based on the obtained new compounds, the phase rule would be systematically analyzed and origin of stable mixed occupancy and nonstoichiometric would be further studied. Finally, we will design the carrier storage layer in Fe, Ni-based superconducting systems to explore the new compounds with new structure, and the optical and electromagnetic properties will be regulated by using the carrier transfer from mixed occupancy. Meanwhile, the practical application of related layered materials with outstanding performance will be promoted. Through the whole proposal, we aim to obtain several new inorganic functional materials with novel properties and potential application.

层状过渡金属硫族化合物材料由于其展现出的优异性质成为目前国内外学者研究的热点。研究发现，晶格中元素共占位对此类化合物稳定结构和呈现新奇物性起到至关重要的作用。然而目前对其成相规律、非化学计量比成因和共占位与物性关联等的研究非常有限。本课题旨在系统研究此类共占位稳定的层状过渡金属硫族化合物功能材料。首先，以目前已报道的、具代表性的共占位稳定层状结构为模板，设计预测新化合物并进行实验制备，验证其性质。其次，利用获得的新化合物进行共占位容忍度研究，深入认识此类化合物的结构稳定机制和非化学计量比成因。最终基于获得的成相规律，在Fe, Ni基等超导物性决定层间设计载流子库层，进一步构筑新材料，实现不同共占位局域结构引起的载流子转移对材料相关物性的调控。同时兼顾推进此类具有优异性能的材料在相关领域的实际应用。通过本项目的实施，预期获得几种具有新奇物性和潜在应用价值的新型无机功能材料。

具有元素共占位稳定的层状过渡金属硫族化合物材料是一类重要的量子材料，表现出各种包括超导电性、电荷密度波和拓扑电子态等新奇的电磁性质。然而目前对其成相规律、非化学计量比成因和共占位与物性关联等的研究非常有限。本课题旨在系统研究此类共占位稳定的层状过渡金属硫族化合物功能材料。首先，以具代表性的共占位稳定层状结构为模板，包括ThCr2Si2型、反PbO型和二维过渡金属二硫族化合物等结构模型，设计预测新化合物并进行实验制备，进行晶体生长和物性表征。其次，利用获得的新化合物进行共占位容忍度研究，深入认识此类化合物的结构稳定机制和非化学计量比成因。最终基于获得的成相规律，在过渡金属基等超导物性决定层间设计载流子库层，进一步构筑新材料，实现不同共占位局域结构引起的载流子转移对材料相关物性的调控。本项目设计合成具有低维结构的新无机功能材料28种，对不同体系的材料进行了细致的结构解析，并对其化学稳定性和元素价态进行了系统表征，同时建立了共占位稳定过渡金属硫族化合物的成相规律。通过对各类材料的物性表征和电子结构计算，深入理解了元素共占位对材料性质的影响机制，构建过渡金属基材料体系的元素-结构-能带-物性关联。此外，在样品合成过程中探索出了采用多硫化物助溶剂法对新型过渡金属基硫族化物进行新材料探索和单晶生长，利用助溶剂成分有效地调控产物的元素价态和结构维度，同时提供了高效的合成新型过渡金属基材料和晶体生长新手段。通过本项目的实施，预期获得几种具有新奇物性和潜在应用价值的新型无机电磁功能材料，同时深入认识元素共占位对过渡金属基化合物晶体结构、稳定性和电磁性质的影响机制。