日本理化学研究所 (RIKEN) 的科学家发现，使用一种特殊的晶体管技术，可以操控二硫化钼，使其表现出超导体、金属、半导体或绝缘体的特性。

通过插入钾离子和调整条件，他们可以使材料的电子态发生巨大变化——甚至出人意料地将其转变为超导体或绝缘体。在单一二维材料上实现这一全新层级的控制，可能为下一代电子学和超导性研究带来激动人心的突破。

发掘单一材料的多种用途

日本理化学研究所（RIKEN）的一组物理学家开发了一种基于晶体管的技术，这种技术使单层材料能够呈现出广泛的电子行为，具备超导体、金属、半导体或绝缘体的功能。这种方法有望促进新型超导材料的发现。

领导这项研究的理化学研究所新兴物质科学研究中心的岩佐嘉洋介表示：“从材料科学的角度来看，一种材料能具备多种电子特性，这非常吸引我们。”

这种材料是二硫化钼（MoS2），可以分离成原子厚度的薄层。每一层由硫原子层之间的钼原子组成。根据硫原子的排列方式，二硫化钼可以存在两种不同的结构相：表现为半导体性质的2H相和表现为金属性质的1T相。

岩泽表示：“二硫化钼 2H 在下一代半导体器件中的应用前景十分广阔。”

钾离子引导相移

为了探索材料如何在各阶段之间转变，研究人员制造了一个场效应晶体管，并将其连接到2H相二硫化钼样本上。通过调整施加到晶体管上的电压，他们能够精确控制钾离子插入材料的过程。

随着钾浓度的增加，材料会突然从2H相转变为1T相。这种变化发生在每五个钼原子大约有两个钾离子时，凸显了离子浓度与相行为之间的明确联系。

触发超导性

然后，研究人员通过加入适量的钾，并将样本冷却至零下268摄氏度，发现1T相变成了超导体。

尽管先前已在2H相中观察到超导性，但在1T相中出现超导性是出乎意料的，并且出现在不同的温度下。岩崎表示：“我们最惊讶的是，当我们引入钾离子时，观察到了超导性。”

意外转变为绝缘状态

还有更多的惊喜等着他们。当研究人员让1T二硫化钼中的钾流失，直至钾离子含量降到相对较低的水平，并把温度设在-193°C时，这种材料就由金属变成了绝缘体。

岩佐说：“我们发现这很有趣，因为我们没想到会出现这种现象。”

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结构和性能的一种有效方法。

十年方法论与未来发现

岩佐说：“我们在过去十年里一直在开发这种方法。我们证明了它不仅有助于探索超导体和相关电子相的新特性，而且有助于发现新的超导体。”

参考文献：《二硫化钼中门控钾离子嵌入与超导性》，作者：里基·德维·塞普蒂安托、亚历克·保罗·罗马戈萨、余东、秀树松冈、智也出井夫、萩原裕太、岩佐义弘，发表于2024年10月21日，《纳米快报》。DOI：10.1021/acs.nanolett.4c04134