层状3d过渡金属化合物的载流子调制探索

The electronic structures of transition metal compounds are usually very complicated, and novel physical phenomena may appear by carrier modulation in them, such as high temperature superconductivity, giant magneto resistance effect etc. The exploration for new superconductor is one of the most important fields in condensed matter physics. In the two discovered high temperature superconducting family of copper oxides and iron pnictides superconductors, the superconductivity both comes from the 3d elements of Cu and Fe, the crystal structures are both layered quasi 2-dimensional, and superconductivity are both achieved by carrier modulation . In this project we will systematically study the carrier modulation effect on layered compounds formed with 3d elements except Cu and Fe. These 3d elements usually have alterable valences, with good lattice match ability, and can form diverse layered structural compounds with non-metallic elements such as C, N, O family elements. We will mainly study the binary layered structural units formed by these 3d elements which compose crystals with other layered units, the methods of elemental substitution with unequal valence and ion intercalation will be used for carrier modulation, the carrier doping phase diagram will be systematically studied to obtain some physical regularity, in order to discover new high temperature superconductivity or new quantum phenomena.

过渡金属元素化合物常具有非常复杂的电子结构，对其进行载流子调制可以显示出丰富的新颖物理现象，典型如高温超导、巨磁阻效应等。对于新超导材料的探索是凝聚态物理中的一个重要研究方向。目前已发现的两种高温超导体系即铜氧化物和铁基超导体均为3d过渡元素Cu和Fe起主要贡献，均为层状的准二维晶体结构，并且均由载流子调制实现超导。本项目拟对铜铁之外的其它3d元素形成的典型的层状化合物进行系统的载流子调制探索研究。这些3d元素多具有可变的化合价，具有很好的晶格匹配能力，可与碳氮氧族等非金属形成多种层状结构化合物。本项目将主要研究由这些3d元素形成的二元层状结构单元与其它层状单元堆叠而成的晶体结构，通过不等化合价的元素掺杂、离子插层等方式引入载流子并进行调制，对其载流子掺杂相图进行系统研究并总结规律，以期发现新的高温超导体或者新量子现象。

在本项目中我们研究了上百种层状3d过渡金属化合物和一些相关化学结构（包括相近结构的4d、5d等）的新型材料探索，以及通过化学元素掺杂进行的载流子调制和结构调制研究，以期发现新型超导材料体系。该项目取得的主要成果如下：.1. 发现133型新结构的准一维CrAs基超导体 KCr3As3（Tc ~ 5 K）和RbCr3As3（Tc ~ 7.3 K），该体系在空气中非常稳定，并且存在与233型Cr基超导体相反的负化学压力效应。发现233型Cr基超导体 Na2Cr3As3，Tc ~ 8.6 K，这是目前所有Cr基超导体中的最高Tc。.2. 发现 TT’X 型的三元化合物超导体 ScRuSi，该化合物具有两种结构，其中正交结构超导，Tc ~ 3.1 K，六方结构不超导；发现112型新FeAs基化合物 EuFeAs2，是第一个112 型的铁基母体化合物，通过Eu位、Fe位掺杂可分别实现超导，Tc可至28 K，并且该体系存在反铁磁与超导共存现象；发现淬火后的CaFe2As2母体显示超导电性；发现具有新型BiS层结构的Bi3O2S2Cl超导体，Tc ~ 2.75 K。.3. 发现几种 122 结构的非铁过渡元素化合物层状新超导体，包括LaRu2As2（Tc ~ 7.8 K）、 BaPd2As2 （Tc ~ 3.8 K）、 BaIr2As2（Tc ~ 2.8 K）、LaPd2Bi2（Tc ~ 2.8 K）等。.4. 发现基于MoAs的准一维结构新超导体 K2Mo3As3（Tc ~ 10.4 K），Rb2Mo3As3（Tc ~ 10.6 K），Cs2Mo3As3（Tc ~ 11.5 K），这是第一个MoAs基超导体系，也是目前Tc 最高的准一维结构超导体。.综上，本项目中我们共发现十几种新型超导体，取得了一系列在国际上有影响力的研究成果。