新型过渡金属层状硫化物超导材料的开发与性能研究

Novel low-temperature superconductivity and other frontier materials have been listed as one of the pilot projects. The exploration of new superconducting materials is one of the most important and challenging frontier issues in current industry and academia. At the same time, the transition metal layered chalcogenides provide a new opportunity for the exploration and development of new superconducting materials due to their rich electronic properties. In this project, the transition metal layered chalcogenides with charge density wave, polymorphism and phase transition structure will be used as the parent materials. The structure and physical properties of the parent materials will be tuned by doping or intercalation by using a solid state chemical synthesis method. XRD, EDX and other techniques will be utilized to determine its crystal structure and composition. Band gap, resistivity, magnetism and other physical properties will be studied systematically, combining with the theoretical calculation with WIEN2k and experimental testing with physical properties measurement system (PPMS). In addition, the relation between structure and properties and superconducting mechanism of the new superconductors will be further studied in detail. Finally, we aimed to design the preparation of a series of new transition metal chalcogenide superconductors. This project will expand the previous works and reveal the influence of material structure and composition on superconductivity. Further, it will promote the development of condensed matter physics, materials science and inorganic solid state chemistry and other interdisciplinary fields.

新型低温超导等前沿新材料被列为国家前沿新材料先导工程之一。对新超导材料的探索，是当今工业界和学术界最重要也是最具有挑战性的前沿问题之一。与此同时，过渡金属层状硫化物丰富的物理特性为新型超导体的探索与开发提供新的契机。本项目拟以具有电荷密度波、多态性的、相变结构等过渡金属层状硫化物为母体，利用固态化学合成方法，通过掺杂或者插层手段来调控该母体结构和物性，并使用XRD及EDX等表征手段来确定其晶体结构及组成。进一步结合WIEN2k理论计算和物理测试系统测试手段，系统研究目标材料的电子能带结构、电阻率、磁性等物性的同时，深入探讨超导材料的构效关系和超导机制，最终旨在设计制备出一系列新型过渡金属硫化物超导材料。本项目关于新型过渡金属硫化物超导体的开发与性能研究，拓宽先前超导体系统研究范围，揭示材料结构及组分对超导电性的影响规律，进一步为凝聚态物理、材料科学等交叉科学领域的深入发展提供帮助。

本项目旨在开发新型过渡金属二硫化物超导材料，并系统研究其晶体结构、电子输运和磁性。在本项目执行期内，根据研究计划完成了如下主要工作：(1)通过化学元素双掺杂2H-NbSe2过渡金属二硫化物母体，成功获得CuxNb1-xSe2-ySy(0≤x=y≤0.06)和CuxNbSe2-ySy(0≤x=y≤0.1)新超导体系，并给出了具体掺杂浓度与超导电性的相图。(2)通过Te替代2H-NbSe2过渡金属二硫化物母体中的Se，成功获得新晶体结构1T-NbTeSe超导体，并系统研究了晶体结构对超导电性的影响，并总结了1T结构过渡金属二硫化物超导体的超导电性与晶体结构的关联机制。(3)通过Ru掺杂CuIr2Te4母体中的Ir，成功抑制CuIr2Te4母体的电荷密度波相变，并建立起“穹状”的掺杂浓度与超导转变温度的具体相图，为进一步揭示电荷密度波与超导电性的竞争机制提供理想的材料平台。(4)此外，成功拓展了过渡金属二硫化物超导材料在能源催化领域中的应用，比如产氢，产氧及超级电容器等。在项目资助下，发表了论文18篇，其中SCI一区论文5篇，内封面文章1篇。本项目核心成果是通过化学掺杂过渡金属二硫化物的母体，调控电子结构、电荷密度波，从而获得一系列新型的过渡金属二硫化物超导材料，并建立起具体的掺杂浓度/晶体结构与超导转变温度的具体相图，为过渡金属二硫化物超导材料家族增加了新成员的同时，并拓展了超导材料在能源催化中的应用。本项目的研究为全面准确地理解过渡金属二硫化物超导体中晶体结构、电子结构与超导电性及电荷密度波之间的相互作用，为进一步揭示该类材料中电荷密度波与超导电性的竞争机制提供了重要的实验基础及材料平台。