近年來，層狀含鉍化合物因其在熱電材料、拓?fù)浣^緣體以及光催化材料等領(lǐng)域所表現(xiàn)出的優(yōu)異性質(zhì)而受到廣泛的關(guān)注和研究。2012年Mizuguchi Y.等人報(bào)道了Bi₄O₄S₃和LaO_1–xF_xBiS₂的超導(dǎo)電性，隨后人們發(fā)現(xiàn)了Bi₃O₂S₃，REO_1–xF_xBiS₂ (RE = La, Ce, Pr, Nd, Yb)、La_1-xM_xOBiS₂ (M = Ti, Zr, Hf, Th)，Sr_1–xLa_xFBiS₂和LaO_1–xF_xBiSe₂等數(shù)十種超導(dǎo)體，共同構(gòu)成了BiCh₂基超導(dǎo)體家族（Ch = S或Se）。這一家族的所有化合物均含有[Bi₂Ch₄]^2–超導(dǎo)層，以及多種不同的絕緣層，如[Bi₂O₂]²⁺，[RE₂O₂]²⁺，[Sr₂F₂]²⁺和[Eu₃F₄]²⁺層等。

　　中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心超導(dǎo)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室SC10組長期進(jìn)行新型超導(dǎo)體的探索研究，在2014年即首次報(bào)道了LaO_1–xF_xBiSSe中增強(qiáng)的超導(dǎo)電性（arXiv: 1404.7562）。最近，該研究組的博士研究生阮彬彬、趙康等人在研究員任治安的指導(dǎo)下，發(fā)現(xiàn)了新型四元化合物Bi₃O₂S₂Cl。粉末X射線衍射表明該化合物屬于I4/mmm (No. 139) 空間群，晶格常數(shù)a = 3.927(1)埃，c = 21.720(5)埃。通過調(diào)節(jié)S含量，Bi₃O₂S₂Cl實(shí)現(xiàn)了從半導(dǎo)體到超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度T_c約為3.5 K（圖1）。

　　通過與先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)室研究員楊槐馨等人合作的透射電鏡研究分析表明，Bi₃O₂S₂Cl由[Bi₂O₂]²⁺和[BiS₂Cl]^2–層交替堆疊構(gòu)成（圖2）。其中[BiS₂Cl]^2–層是由Bi-Cl無限四方平面層構(gòu)成，S原子位于八面體上下頂點(diǎn)上。在鉍的鹵化物中，該類型的結(jié)構(gòu)尚屬首次報(bào)道。霍爾效應(yīng)測量表明該化合物為n型半導(dǎo)體，通過S空位的摻雜，可以引入載流子進(jìn)而誘發(fā)超導(dǎo)。該化合物的超導(dǎo)層為[BiS₂Cl]^2–層，與已知的BiCh₂基超導(dǎo)體均不相同。研究小組通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，成功得到了Bi₃O₂S₂Cl單晶樣品，并在此樣品中觀測到體超導(dǎo)電性，T_c約為2.8 K（圖3）。

　　在Bi₃O₂S₂Cl中所發(fā)現(xiàn)的新型[BiS₂Cl]^2–層是一種新的結(jié)構(gòu)單元，通過改變絕緣層[Bi₂O₂]²⁺，有望合成出更多的新型層狀含鉍化合物，在新型超導(dǎo)體和熱電材料等研究領(lǐng)域具有重要價(jià)值。該研究成果發(fā)表于《美國化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society, 2019, 141, 3404-3408（DOI: 10.1021/jacs.8b13796））。

　　該項(xiàng)研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科技部“973”項(xiàng)目、中科院先導(dǎo)項(xiàng)目和中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)優(yōu)秀會(huì)員基金以及松山湖材料實(shí)驗(yàn)室的支持。

　　論文鏈接 

　　圖1. Bi₃O₂S₂Cl的晶體結(jié)構(gòu)以及自摻雜引起的超導(dǎo)電性

　　圖2. 多晶Bi₃O₂S₂Cl的SEM與TEM圖譜

　　圖3. Bi₃O₂S₂Cl單晶樣品的超導(dǎo)電性與XRD衍射圖譜