含MX结构单元(M=Fe,Co,Ni, X=S,Se,P)新型层状化合物合成、结构和物性研究

过渡族金属元素M（M=Fe,Co,Ni,V），非金属元素X（X=S,P,Se），碱土金属氧化物或稀土氧化物可能形成结构丰富的层状化合物。这些化合物中MX易形成层状结构，并且往往是决定物性的结构单元，使化合物整体表现出奇特的磁性或导电行为。但目前对这类化合物的成相规律、结构特征和物性还知之甚少。本课题以探索含有MX层状结构的新型晶态电磁功能材料为目标，系统研究MX层与碱土氧化物复合层、稀土氧化物复合层等形成层状化合物的成相规律、结构特征以及磁性、电输运性质等物性。通过层间原子替代，实现向MX层注入载流子，并产生结构畸变，研究载流子和几何效应对能带、磁性和电输运性质的调控作用。通过该课题的研究，可以丰富结构基元理论，深入认识这类化合物的物性与结构的关联，探索出若干具有潜在应用价值的新型晶态电、磁功能材料，为新型功能材料设计提供依据，推动相关学科发展。

作为宏观量子现象的超导电性具有重要的基础科学研究价值和巨大的应用前景。在本项目的支持下，项目组成员基于长期积累，在FeSe基新型超导体研究上做出了大量原创性工作，取得了突破性进展，激发了世界范围内新一轮高温超导研究的热潮。项目成果推动了铁基超导及相关领域的研究和发展，赢得了国际学术界的广泛认可。.　主要代表性成果包括：.　1．发现新型铁硒基超导体KxFe2Se2，为非常规超导体的研究探索开辟了新的研究方向。继2008 年台湾科学家报道临界温度为8K的FeSe超导体后，项目组创造性的向FeSe层间引入具有电荷转移能力的载流子库层（碱金属K），首次发现常压下临界温度高于 30K 的FeSe基超导体。KxFe2Se2在布里渊区只存在电子型费米面，这极大地改变了人们对铁基超导体电子结构的认识。另外，其Fe空位有序导致的反铁磁绝缘相，压力下具有更高超导转变温度的量子相变等现象也大大激发了科学界对该体系的兴趣，KxFe2Se2的发现迅即引发了世界范围内的研究热潮。.　2．合成无相分离的系列铁硒基高温超导体Ax(NH3)yFe2Se2（A=Li，Na，Ca，Sr，Ba，Eu，Yb），创造并保持常压下铁硒基超导体临界温度的最高记录。继超导转变温度为30 K的KxFe2Se2被首次报道后，众多实验手段证实该系列超导体中普遍存在相分离。项目组采用氨热法，成功在室温下将碱金属Li、Na，碱土金属Ca、Sr、Ba和稀土元素Eu、Yb插入FeSe层间，合成了高温方法无法获得的一系列铁基超导体，为探索新超导材料和研究超导机制提供了新的契机。 .　3．基于精确调控碱金属的掺杂量和抑制相分离，确认了K-Fe-Se体系中超导相的成分和结构。KxFe2Se2体系由于相分离的复杂性对后续研究造成了很大困扰。为最终确认该体系超导相的成分和结构，项目组将液氨法成功用于精确调控碱金属的掺杂量和抑制相分离，发现钾插层FeSe化合物中至少存在两个具有完整FeSe层的ThCr2Si2结构超导相。该工作澄清了钾铁硒体系中超导相的成分和结构，为今后进一步的研究奠定了基础。.　上述研究成果推动了铁硒基超导材料研究的持续发展，为理解铁硒基超导电性起到了奠基性的作用。代表性论文单篇他引431次，《Nature Materials》发表题为《The Super Century》的超导百年专题评述，对该成果做专题介绍。