日本理化学研究所的科学家发现了如何利用专门的晶体管技术将二硫化钼制成超导体、金属、半导体或绝缘体。通过插入钾离子并调整条件，它们可以引发材料电子态的剧烈变化——甚至出乎意料地将其转变为超导体或绝缘体。这种对单一二维材料的全新控制水平，有望为下一代电子学和超导研究带来激动人心的突破。

释放单一材料的多功能性

日本理化学研究所（RIKEN）的物理学家团队开发了一种基于晶体管的技术，该技术可使单层材料呈现出多种电子行为，使其能够充当超导体、金属、半导体或绝缘体。这种方法有望帮助人们发现新的超导材料。

领导这项研究的日本理化学研究所新兴物质科学中心的岩佐义弘 (Yoshihiro Iwasa) 表示：“从材料科学的角度来看，基于单一材料的多种电子特性对我们来说非常有趣。”

所讨论的材料是二硫化钼（MoS 2），它可以分离成原子级薄层。每层由夹在硫原子层之间的钼原子组成。根据这些硫原子的排列方式，MoS 2可以存在于两种不同的结构相中：2H相，其行为类似于半导体；以及1T相，其行为类似于金属。

Iwasa 指出：“2H 二硫化钼在下一代半导体器件中的应用前景十分广阔。”

场效应晶体管的照片。插图中心的青绿色区域是二硫化钼薄片，它可以是超导体、金属、半导体或绝缘体

利用钾离子引导相移

为了探索材料如何在不同相之间转变，研究人员构建了一个场效应晶体管，并将其连接到2H相二硫化钼样品上。通过调节施加到晶体管上的电压，他们能够高精度地控制钾离子插入材料。

随着钾浓度的增加，材料突然从2H相转变为1T相。这种变化发生在每五个钼原子对应约两个钾离子的情况下，突显了离子浓度与相行为之间的明确联系。

触发超导性

然后，通过加入适量的钾并将样品冷却至-268°C，研究人员发现1T相变成了超导体。

虽然此前在2H相中也观察到了超导现象，但这在1T相中却是意料之外的，而且发生在不同的温度下。“对我们来说，最大的惊喜是，当我们引入钾离子时，我们观察到了超导现象，”Iwasa说道。

意外的绝缘转变

更多的惊喜还在后头。当研究人员让1吨二硫化钼中的钾离子泄漏出来，直到钾离子含量相对较低，并将其温度设定为-193°C时，这种材料从金属变成了绝缘体。

“我们发现这很有趣，因为我们没想到会发生这种现象，”Iwasa 说。

这些结果表明，以这种方式引入钾离子是控制二硫化钼等二维材料的结构和性质的有效方法。

“我们在过去十年里一直在开发这种方法，”Iwasa说道。“我们已经证明，它不仅有助于探索超导体及其相关电子相的新特性，还有助于发现新的超导体。”

编译自/ScitechDaily