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日本理化學(xué)研究所的一項(xiàng)研究表明，在二硫化鉬原子層之間擠入適量的鉀離子，可將其從半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘?、超?dǎo)體或絕緣體。通過(guò)使用由日本理化學(xué)研究所物理學(xué)家開(kāi)發(fā)的晶體管器件來(lái)調(diào)整其電子特性，可使同一種層狀材料表現(xiàn)為超導(dǎo)體、金屬、半導(dǎo)體或絕緣體。

該研究發(fā)表在《納米快報(bào)》雜志上。

研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、日本理化學(xué)研究所新興物質(zhì)科學(xué)中心的 Yoshihiro Iwasa 表示:“從材料科學(xué)的角度來(lái)看，基于單一材料的多種電子特性對(duì)我們來(lái)說(shuō)非常有趣?！?/p>

這種材料是二硫化鉬，它可以分離成一種極薄的晶體，其中包含夾在硫原子之間的鉬原子層。這些硫原子可以以不同的方式排列，形成兩個(gè)不同的相，稱為 2H 和 1T。2H 相是半導(dǎo)體，而 1T 相是金屬。

Iwasa 指出:“2H 二硫化鉬在下一代半導(dǎo)體器件中有著極好的應(yīng)用前景?！?/p>

日本理化學(xué)研究所的研究人員現(xiàn)在更詳細(xì)地研究了這種相變。他們制造了一種稱為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的裝置，并將其連接到 2H 二硫化鉬樣品上。通過(guò)改變晶體管電壓，他們可以精確地將鉀離子引導(dǎo)到材料中。

隨著更多的鉀進(jìn)入材料，材料的相突然從 2H 變?yōu)?1T——大約每五個(gè)鉬原子就有兩個(gè)鉀離子。

隨后，通過(guò)加入適量的鉀，并將樣品冷卻至-268℃，研究人員發(fā)現(xiàn)1T相變成了超導(dǎo)體。

雖然之前在 2H 相中也觀察到了超導(dǎo)現(xiàn)象，但對(duì)于 1T 相來(lái)說(shuō)，這是意料之外的，而且發(fā)生在不同的溫度下。“對(duì)我們來(lái)說(shuō)，最大的驚喜是，當(dāng)我們引入鉀離子時(shí)，我們觀察到了超導(dǎo)現(xiàn)象，”Iwasa 說(shuō)。

更多的驚喜還在后面。當(dāng)研究人員讓鉀從 1T 二硫化鉬中泄漏出來(lái)，直到其中包含相對(duì)較低的離子水平并將其溫度設(shè)置為 –193°C 時(shí)，該材料從金屬變成了絕緣體。

Iwasa 說(shuō)道:“我們發(fā)現(xiàn)這很有趣，因?yàn)槲覀儧](méi)想到會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象?！?/p>

這些結(jié)果表明，以這種方式引入鉀離子是一種控制二硫化鉬等二維材料結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的有效方法。該方法可能有助于發(fā)現(xiàn)新的超導(dǎo)體。

“我們?cè)谶^(guò)去十年中一直在開(kāi)發(fā)這種方法，”Iwasa 說(shuō)道?！拔覀円呀?jīng)證明，這種方法不僅有助于探索超導(dǎo)體和相關(guān)電子相的新特性，還有助于發(fā)現(xiàn)新的超導(dǎo)體。”

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