原文已發表在CPL Express Letters欄目
Received 31 July 2019;
online 3 August 2019
Express Letter
文章亮點
南京大學物理學院孫建教授和邢定鈺院士等人在單層超導體研究方面取得了重要進展，預言了單層T-graphene是一種本徵的二維碳單質超導體，其超導轉變溫度達到近20 K，並且設計了「高壓合成，常壓剝離」的巧妙路徑來合成這種新奇的材料，即先用高壓方法合成鹼金屬鉀和T-graphene的插層化合物C4K，然後再在常壓下用電化學或機械剝離方法剝離出單層T-graphene。
單層T-Graphene的超導及其合成路徑
研究背景
單層超導體是製備超導納米元器件的理想材料，然而目前已知的單層超導體很少，只有單層的二硒化鈮、二硫化鉬和鐵硒等。另外，單層的元素
超導體就更為少見，理論預言的超導二維硼到目前還沒有在實驗上測到超導。所以，尋找和合成單層超導體，特別是單層的元素超導體，一直是大家非常感興趣的課題。最近，「魔角石墨烯」中超導的發現使這個課題受到更多的關注。碳元素具有豐富的電子雜化構型，使它呈現很多的同素異構體。每一種碳元素同素異形體的出現都會引起極大的研究熱潮，如富勒烯、碳納米管、石墨烯等。另外，碳材料的超導也一直是大家非常關心的課題，包括石墨插層化合物中的超導，但它們的超導轉變溫度一般都不高。
內容簡介
近日，南京大學物理學院孫建教授課題組利用晶體結構搜索和第一性原理計算在碳的同素異構體中找到一種本徵的單層超導體T-graphene。這種單層碳材料具有四八環結構，他們的電聲子耦合計算表明，單層T-graphene在常壓下的超導轉變溫度可以達到約20.8 K。更為重要的是，他們首次提出了「高壓合成，常壓剝離」的思路，設計了兩條巧妙的路徑來獲取這種新奇的材料（圖1）。第一條路徑是，先用高壓方法（> 11.5 GPa）合成鹼金屬鉀和碳的化合物，具有P4/mmm對稱性的C4K。計算表明這種化合物在高壓下穩定，並在壓力撤掉後仍是一個亞穩相。接下來用電化學方法或機械剝離法從C4K中把單層T-graphene剝離出來。第二條路徑是，在常壓下將鉀原子從C4K中蒸發掉，留下純的T-graphite層狀物（C4），接著從T-graphite中剝離出T-graphene，此時的剝離能比直接從C4K中剝離更低。他們用多種方法證明了C4K在高壓和常壓下的穩定性，以及單層T-graphene剝離的可行性（圖2）。他們還預言，C4K本身也是一種超導體，其理論計算的超導轉變溫度達到近30 K，是目前類似石墨插層化合物中超導轉變溫度最高的材料。他們的研究表明，C4K和T-graphene都具有很強的電聲子相互作用，屬於常規超導體，可以用電聲耦合的方法來研究它們的超導電性。
圖1. 單層碳元素超導體T-graphene的合成路徑示意圖，簡單闡明了「高壓合成，常壓剝離」的新思路。
圖2.P4/mmmC4K的晶體結構和穩定性。
研究意義及重要性
本文的理論預言為實驗工作指明了方向。單層超導體T-graphene是非常稀少的本徵元素二維超導體，一旦在實驗上被合成出來，將不但成為基礎研究上的重大突破，也將對超導器件的發展和實際應用起到很大的推動作用。因為利用常用的層狀材料堆疊技術，單層T-graphene可以很方便地與其它二維材料疊放在一起製成超導器件，如超導體/半導體異質結等。另外，孫建教授等人在本文中首次提出的「高壓合成，常壓剝離」的二步法有望成為合成二維材料的新方法，可用於合成在常壓下難以獲得的新型單層二維材料。
本文第一作者是南京大學物理學院博士生顧琴燕，通訊作者是孫建教授，邢定鈺院士對研究的開展和論文撰寫給予了重要的指導。該項工作是南京微結構協同創新中心的最新研究成果。該工作得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金傑出青年基金、中央高校基本業務費等經費的支持。計算工作主要在南京微結構協同創新中心高性能計算中心、南京大學高性能計算中心和廣州超算中心「天河二」等地的超級計算機上進行。
應編輯部邀請，吉林大學馬琰銘教授為以上工作作了深度點評，同期發表在CPL。
Views & Comments
Theoretical Proposal for a Planar Single-Layer Carbon That Shows a Potential in Superconductivity
Yan-Ming Ma (馬琰銘)
Chin. Phys. Lett. 2019 36(9): 090101
英國專欄作家Belle Dumé為本文撰寫了News，並發表於國際權威物理學雜誌Physics World。
Single-layer T-graphene could
bean intrinsic elemental2D superconductor
—— 分享新聞，還能獲得積分兌換好禮哦 ——