近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所高壓研究團(tuán)隊(duì)與其合作者在實(shí)驗(yàn)上觀測到了壓力誘發(fā)MoS2的金屬化，并闡明了相變發(fā)生的物理機(jī)制，相關(guān)結(jié)果于7月16日在《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters）在線發(fā)表，并被選為該雜志編輯推薦文章（Editor’s suggestion）。
近年來，隨著石墨烯研究熱潮的興起，類石墨烯低維材料逐漸成為凝聚態(tài)物理和材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其中，半導(dǎo)體過渡金屬二硫化物MoS2具有和石墨類似的層狀結(jié)構(gòu)，其二維單層具有石墨烯所不具備的直接能隙，因而在納米電子學(xué)和光電子器件方面具有廣泛的應(yīng)用前景。實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)證實(shí)：通過堿金屬和有機(jī)導(dǎo)電分子插層，或者施以靜電場偏壓進(jìn)行電荷載流子摻雜，可以使MoS2從半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變成金屬并最終變成超導(dǎo)體。壓力，作為獨(dú)立于溫度和化學(xué)組分之外的一個(gè)“潔凈”的熱力學(xué)參數(shù)，能夠可控的調(diào)節(jié)材料的能帶結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)，從而誘發(fā)出新奇的物理現(xiàn)象。盡管已有理論研究表明MoS2在高壓下可能通過能帶重疊和能隙閉合發(fā)生半導(dǎo)體態(tài)向金屬態(tài)的轉(zhuǎn)變，然而從實(shí)驗(yàn)上直接證明MoS2在高壓下的金屬化轉(zhuǎn)變卻未見報(bào)道，而且高壓下發(fā)生的晶體學(xué)相變和電子結(jié)構(gòu)演化規(guī)律仍不明確，尚不清楚相變或金屬化發(fā)生的物理機(jī)制。
固體所團(tuán)隊(duì)研究人員利用金剛石對頂砧產(chǎn)生的靜態(tài)超高壓，對MoS2進(jìn)行了高壓下的系統(tǒng)拉曼散射、同步輻射X光衍射，以及電輸運(yùn)測等系列研究，結(jié)果表明：在20 GPa（20萬大氣壓力）以上，MoS2通過層間滑移發(fā)生可逆的等結(jié)構(gòu)的一級(jí)晶體學(xué)相變；在40GPa附近，該等結(jié)構(gòu)相變徹底完成，MoS2從半導(dǎo)體變成金屬，研究者還發(fā)現(xiàn)這種相變具有可逆性，并伴隨有滯后效應(yīng)。
課題負(fù)責(zé)人陳曉嘉研究員認(rèn)為，該研究有助于理解同類半導(dǎo)體過渡金屬硫化物的光電行為和結(jié)構(gòu)特征。目前，科學(xué)家正在研究該類材料中可能存在的高溫超導(dǎo)電性。
固體所副研究員遲振華為文章的第一作者，研究者包括位于上海的高壓先進(jìn)科研中心、華南理工大學(xué)、美國卡內(nèi)基研究院地球物理實(shí)驗(yàn)室、日本大阪大學(xué)的研究人員。研究工作得到了包括中組部創(chuàng)新人才計(jì)劃和外專項(xiàng)目，以及中美國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。這項(xiàng)研究成果是固體所極端環(huán)境量子中心繼發(fā)現(xiàn)NaCl高壓下新形式和甲烷在高溫高壓下行為后的又一重要發(fā)現(xiàn)，前兩項(xiàng)成果于2013年分別發(fā)表在《科學(xué)》 (Science 342, 1502 (2013)) 和《自然通訊》(Nature Communication 4,2446 (2013))上。與此同時(shí)，該中心在高壓下超導(dǎo)電性、材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究方面也取得一定進(jìn)展，部分結(jié)果發(fā)表在Nature集團(tuán)旗下刊物《科學(xué)報(bào)告》（Scientific Reports 3, 3331(2013); 4, 5735 (2014)）上。
固體所極端條件量子物質(zhì)研究中心自2013年以來已建成了高壓、高溫、低溫等極端條件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。目前擁有的設(shè)備包括可旋轉(zhuǎn)紅外激光打孔裝置，多激發(fā)光波長的低波數(shù)多光路高壓光學(xué)系統(tǒng)，高壓低溫光譜、輸運(yùn)、磁性、介電多功能測量系統(tǒng)，以及配備激光加熱裝置的高溫高壓光譜測量系統(tǒng)。于2014年其一期建設(shè)通過了中科院組織的專家驗(yàn)收。目前中心聚集了AlexangerGoncharov和Eugene Gregoryanz兩位外專千人專家組成的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，正在開展極端高溫高壓下的物質(zhì)合成與原位表征，特別關(guān)注超高壓下的氫行為，高壓下的超導(dǎo)電性等前沿科學(xué)問題。
相關(guān)文章信息：
1、Z. H. Chi, X. M. Zhao, H. Zhang, A. F. Goncharov, S. S. Lobanov, T. Kagayama, M. Sakata, and X. J. Chen, Pressure-induced metallization of molybdenum disulfide, Phys. Rev. Lett.113, 036802 (2014).
2、Q. Peng, W. Ji, J. Lian, X. J. Chen, H. Huang, F. Gao, and S. De, Pressure effect on stabilities of self-Interstitials in HCP-Zirconium,Scientific Reports 4, 5735 (2014).
3、W. Zhang, A. R. Oganov, A. F. Goncharov, Q. Zhu, S. E. Boulfelfel, A. O. Lyakhov, E. Stavrou, M. Somayazulu, V. B. Prakapenka, and Z. Konôpková, Unexpectedstablestoichiometries of sodium chlorides, Science 342, 1502(2013).
4、S.S.Lobanov, P. N. Chen, X. J. Chen, C. S. Zha, K.D.Litasov, H. K. Mao, and A.F Goncharov,Carbon precipitation from heavy hydrocarbon fluid in deep planetary interiors, Nature Communications4, 2446 (2013).
5、Y. L. Li, W. Luo, X. J. Chen, Z. Zeng, H. Q. Lin, and R. Ahuja, Formation of nanofoam carbon andre-emergence of superconductivity incompressed CaC6 , Scientific Reports 3, 3331(2013).
MoS2拉曼振動(dòng)模式頻率隨壓力的演化，當(dāng)兩相共存發(fā)生完成后，體系進(jìn)入金屬態(tài)。
遲振華副研究員正利用低溫高壓物性綜合測量平臺(tái)進(jìn)行高壓下電輸運(yùn)測量
Alexanger Goncharov研究員正利用原位激光加熱系統(tǒng)研究氨的高溫高壓行為
Eugene Gregoryanz研究員正與中心研究人員進(jìn)行氫低溫高壓行為的測量
