ZrNCl衍生结构中新超导体的探索

Exploration for new high temperature superconductors from layered compounds has always been one of the hottest topics in condensed matter physics and solid state chemistry over the past decades. Many famous layered superconductors have been found, such as cuprate, iron based superconductors, MgB2, and so on. The two dimensional nitride halides ZNX(Z= Zr,Ti,Hf; X= Cl, Br, I) are the typical layered compounds. All these band insulators become superconductor, after intercalation with Li, Na et al. Most of all, ZrNCl and HfNCl, which have the double honeycomb ZN layers, were found to be high Tc superconductors with Tc up to 16K and 26K after intercalation. With the anion metathesis reaction, many nitride sulfides, like Zr2N2S, Zr2N2Se, NaZr2N2ClS, NaxZr2N2S1+y et al, could be fabricated. These compounds also have the same double honeycomb ZN layers. In this project, we would use solid reaction, flux methods, vapor transport means to grow high quality single-crystals and polycrystalline samples. We hope to find some new compounds in this regard. And also, we would try to find new superconductors in these nitride sulfides, with the methods of liquid intercalation and doping.

从层状化合物中寻找新的高温超导体一直是凝聚态物理和固体化学研究的热点。这些化合物中，陆续出现了铜氧化物，铁基，二硼化镁等一系列的高温超导体。三元氮卤族化合物ZNX(Z= Zr, Hf, Ti; X= Cl,Br,I) 都是典型的层状结构，并且通过插层的手段也可以实现超导。尤其是含有ZN紧密排列的双蜂窝层状化合物ZrNCl和HfNCl被发现能通过插层手段达到16K与26K的超导。通过负离子置换等反应手段，能够制备出一系列同样具有双蜂窝层状结构的硫族化合物：Zr2N2S, Zr2N2Se, NaZr2N2ClS,NaxZr2N2S1+y等（还未发现超导）。在本项目中，我们将通过固相合成，助熔剂法，气相输运等手段合成高质量的单晶和多晶。首先争取发现新的化合物比如Hf2N2S, Hf2N2Se，Zr2N2P等等，同时利用液相插层，固相掺杂等手段争取在这些硫族化合物中寻找新的超导体。

超导具有零电阻和抗磁性，是凝聚态物理研究的前沿课题。具有层状结构并伴随着反铁磁或奇异金属态行为的强关联体系，是寻找非常规超导材料的首选。本课题从具有ZrNCl衍生结构的系列化合物出发，合成了一系列的材料，并研究了它们的物理性质。这些材料主要包括CaMn2Bi2，Cr2GaN，Sc3CoC4等等。其中反铁磁材料CaMn2Bi2 与ZrNCl衍生化合物Zr2N2Se结构相同。我们系统研究了掺杂和高压下对该材料电磁性质的影响。研究发现Zn掺杂可以将反铁磁完全压制，但无法得到量子临界和超导。我们在研究CaMn2Bi2高压下电阻时发现有微弱超导电性，经过仔细辨别发现超导来源于Bi在高压的超导。单质Bi由于P轨道的电子杂化带来的丰富物理性质而备受人们关注。虽然以前对Bi的高压下超导电性有过研究，但并不系统。我们通过高压下的电磁测量，详细研究了高压引起的超导电性，并建立了高压下Bi超导的相图。反铁磁材料Cr2GaN具有和Zr2N2Se一样的空间群，我们同样研究了掺杂和高压对电磁性质的影响，研究发现高压对反铁磁转变温度压制不明显，Ga位置参杂Ge可以压制反铁磁。准一维材料Sc3CoC4是一个超导体，结构相变以及电荷密度波共存的材料，但是它的体超导温度只有1.55K，我们通过高压成功压制了结构相变，将体超导温度提高到4.5K。