ASC Nano：高溫超導新發現 摻雜Q-碳材料

【引言】

碳基強結合材料由于其存在高溫超導的潛力因而受到科學家們的高度關注。摻雜適當的摻雜劑可以為碳基材料提供自由載流子，進而可以提高材料的導電性能，使高溫超導成為可能。近日，有學者報道了一個新發現，無定形碳可以通過納秒激光熔化在超過冷狀態下快速淬火而轉化成Q-碳或金剛石，經摻雜硼后，Q碳轉變為順磁性，隨著B濃度的增加，超導體轉變溫度(T_c)逐漸增大，呈現出超導行為。

【成果簡介】

近日，美國北卡羅萊納州立大學Jagdish Narayan(通訊作者)團隊在ASC Nano上發布了一篇關于超導材料的文章，題為“Discovery of High-Temperature Superconductivity (T_c=55K) in B-Doped Q-Carbon”。

作者通過納秒激光熔融技術在超過冷狀態下快速淬火將無定形碳轉化成Q-碳，然后摻雜濃度為27％B，從而在Q-碳中實現了55K的超導轉變溫度(T_c)，這個數值是在塊狀碳基材料中常規BCS超導性的最高轉變溫度T_c。

研究結果表明，有含量為67%的B存在于sp³雜化態的碳中，這是導致Tc顯著增加的原因。此外，作者通過對振動模式的研究，推斷出在費米能級附近存在較高的態密度及較強的電子-聲子耦合從而導致高達55K的T_c。

【圖片導讀】

圖1 樣品的電磁性測試結果

(A) B摻雜的Q-碳薄膜的磁矩與溫度關系圖；

(B) 各種溫度下的M-H環;

(C) B摻雜的Q-碳薄膜的上臨界場與下臨界場；

(D) 電阻率隨溫度的變化。

圖2 樣品的掃描透射電子顯微鏡圖像

(A) 較大靶區的合成示意圖；

(B) 濃度為27％的B摻雜Q-碳的ADF圖像;

(C) 較小靶區的合成示意圖；

(D) 較低濃度的B摻雜Q-碳的ADF圖像。

圖3 樣品的電子能量損失譜（EELS）

(A) (B)中標記的不同區域的EELS；

(B) B摻雜Q-碳橫截面的HAADF圖像。

圖4 樣品的拉曼光譜

(A) T_c=36K和55K的B摻雜Q-碳薄膜的拉曼光譜；

(B) B摻雜Q-碳(Tc=36K和55K)和沉積態B-C的電子拉曼光譜;

(C) 不同B含量的能級示意圖。

圖5 C-B多層結構的激光誘導熔化和固化

納秒脈沖激光退火工藝（<100ns）使得B摻雜Q-碳中形成受主電子態和強電子-聲子耦合，在費米能級附近的強電子-聲子耦合和高密度狀態導致B摻雜Q碳中表現出的高溫超導性。

【小結】

這篇文章介紹了在B摻雜的Q-碳薄膜中，獲得T_c為55.0±0.5 K的II型高溫超導體。高的Tc是由于Q碳中摻雜了B（27at％），并進行了納秒激光誘導的均勻熔化和隨后的B-C層淬滅處理。該合成過程通過溶質俘獲將摻雜劑濃度提高到超過熱力學溶解度極限的數值，同時溶質可以并入取代位置而不影響它們的能級和電離效率。高電子-聲子耦合和接近費米能級的電子態密度的增加促使了高摻雜相表現出高溫超導性。B摻雜Q-碳中高溫超導性的發現將會促進科學家們在碳基強結合材料中尋找近室溫超導性的進一步研究。

文獻鏈接：Discovery of High-Temperature Superconductivity (T_c=55 K) in B-Doped Q-Carbon (ASC Nano, 8 November, 2017 , DOI: 10.1021/acsnano.7b06888）

本文由材料人編輯部學術組jcfxs01供稿，材料牛編輯整理。

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