科学家成功制备重堆叠的二硫化钽超导薄膜材料

中国科学院上海硅酸盐研究所黄富强研究小组与中国科学院上海微系统研究所和北京大学合作，通过化学剥离形成单层二硫化钽纳米片，并通过抽滤使纳米片自组装形成二硫化钽薄膜。重组后的二硫化钽薄膜打破了原基体的晶体结构，形成了丰富的均匀界面，获得了比基体材料更高的超导转变温度和更大的上临界场。相关的研究结果最近发表在《美国化学学会杂志》上。

自从超导在1911年被发现以来，超导研究已经成为凝聚态物理皇冠上最亮的珍珠之一。目前，超导材料已经应用于各个领域，包括超导电线、医院用超导核磁共振成像仪器和磁悬浮列车。然而，尽管超导材料有许多优点，但由于超导材料目前的最高超导温度超过零下100摄氏度，成本仍然很高，难以在大面积推广。因此，追求更高的温度甚至室温超导性是物理学家的梦想，也具有极高的实用价值。

“目前，由于缺乏理论支持，高温超导的探索举步维艰。”论文第一作者、上海硅酸盐研究所硕士研究生潘杰认为，传统的基于弱电声相互作用的超导理论难以解释40 K以上的超导机制，因此需要一个更完整、更深刻的理论来解释高温超导现象，为高温超导的探索提供指导。界面超导性的发现是近年来超导领域的一个新亮点。然而，由界面控制的六角二硫化钽(2H-二硫化钽)的电子结构尚未见报道。

为了在二硫化钽中构建一个丰富的界面，研究团队采用碱金属离子插层剥离法获得了单层二硫化钽纳米片，并通过抽滤组装得到了二硫化钽薄膜。不规则的变形发生在薄膜的内层之间，破坏了原始的晶体结构，形成了均匀的界面。进一步的研究发现，再堆叠的二硫化钽薄膜的电子比热系数γ是六边形二硫化钽块的两倍。基于固体比热的德拜模型理论，较大的电子比热系数γ表明在二硫化钽薄膜的费米面附近有更多的电子态密度。

为了更好地解释二硫化钽薄膜超导性增强的机理，研究小组利用密度泛函理论模拟和分析了这两种材料的电子结构。计算结果表明，由于层间变形，二硫化钽薄膜界面的电子离域度增大，导致费米表面附近电子态密度增加，超导性能增强。

黄富强研究员表示，研究成果丰富了界面超导的研究内容，为完善超导理论和探索高温超导系统提供了良好的研究思路。