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科學家發現一種材料的四種形態：超導體、金屬、半導體和絕緣體

文章來源：新能源網更新時間：2025-04-27 15:57:32

日本理化學研究所的科學家發現了如何利用專門的晶體管技術將二硫化鉬制成超導體、金屬、半導體或絕緣體。通過插入鉀離子并調整條件，它們可以引發材料電子態的劇烈變化——甚至出乎意料地將其轉變為超導體或絕緣體。這種對單一二維材料的全新控制水平，有望為下一代電子學和超導研究帶來激動人心的突破。

釋放單一材料的多功能性

日本理化學研究所（RIKEN）的物理學家團隊開發了一種基于晶體管的技術，該技術可使單層材料呈現出多種電子行為，使其能夠充當超導體、金屬、半導體或絕緣體。這種方法有望幫助人們發現新的超導材料。

領導這項研究的日本理化學研究所新興物質科學中心的巖佐義弘 (Yoshihiro Iwasa) 表示：“從材料科學的角度來看，基于單一材料的多種電子特性對我們來說非常有趣。”

所討論的材料是二硫化鉬（MoS 2），它可以分離成原子級薄層。每層由夾在硫原子層之間的鉬原子組成。根據這些硫原子的排列方式，MoS 2可以存在于兩種不同的結構相中：2H相，其行為類似于半導體；以及1T相，其行為類似于金屬。

Iwasa 指出：“2H 二硫化鉬在下一代半導體器件中的應用前景十分廣闊。”

場效應晶體管的照片。插圖中心的青綠色區域是二硫化鉬薄片，它可以是超導體、金屬、半導體或絕緣體

利用鉀離子引導相移

為了探索材料如何在不同相之間轉變，研究人員構建了一個場效應晶體管，并將其連接到2H相二硫化鉬樣品上。通過調節施加到晶體管上的電壓，他們能夠高精度地控制鉀離子插入材料。

隨著鉀濃度的增加，材料突然從2H相轉變為1T相。這種變化發生在每五個鉬原子對應約兩個鉀離子的情況下，突顯了離子濃度與相行為之間的明確聯系。

觸發超導性

然后，通過加入適量的鉀并將樣品冷卻至-268°C，研究人員發現1T相變成了超導體。

雖然此前在2H相中也觀察到了超導現象，但這在1T相中卻是意料之外的，而且發生在不同的溫度下。“對我們來說，最大的驚喜是，當我們引入鉀離子時，我們觀察到了超導現象，”Iwasa說道。

意外的絕緣轉變

更多的驚喜還在后頭。當研究人員讓1噸二硫化鉬中的鉀離子泄漏出來，直到鉀離子含量相對較低，并將其溫度設定為-193°C時，這種材料從金屬變成了絕緣體。

“我們發現這很有趣，因為我們沒想到會發生這種現象，”Iwasa 說。

這些結果表明，以這種方式引入鉀離子是控制二硫化鉬等二維材料的結構和性質的有效方法。

“我們在過去十年里一直在開發這種方法，”Iwasa說道。“我們已經證明，它不僅有助于探索超導體及其相關電子相的新特性，還有助于發現新的超導體。”

編譯自/ScitechDaily

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