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上海硅酸盐所等在Ti-O体系新奇物性研究中取得进展

2018-04-16     来源:中国科学院

  纳米二氧化钛(TiO2)因具有优异的光电特性,在光催化、新型太阳能电池等领域被广泛研究。然而,却鲜有纳米TiO,或者其它低价钛氧化物的合成及其物性探索方面的报道。而Ti-O层的基本物性研究对界面超导的理解和探索具有重要意义。界面效应在界面超导中起决定性的作用,超导特性可以通过界面电荷重新分布来增强甚至产生,因此要求在材料设计和制备方面具有良好界面工程控制。

  近日,中国科学院上海硅酸盐研究所研究员黄富强课题组与北京大学、浙江大学和密苏里大学堪萨斯分校合作研究,在TiO体系新奇物性探索方面取得新进展。该团队首先通过可控还原技术制备纳米TiO再采用表面氧化策略调控界面效应,获得了二元TiO体系中最高的超导转变温度(11K)。相关研究成果以Nano Titanium Monoxide Crystals and Unusual Superconductivity at 11 K 为题近期发表于国际材料科学期刊《先进材料》(Adv. Mater. 2018, 30, 1706240, DOI: 10.1002/adma.201706240)上,论文共同第一作者为上海硅酸盐所在读研究生徐吉健、王东和无机材料分析测试中心工程师姚鹤良,论文通讯作者为黄富强。该工作已申请中国发明专利(201710131497.4)。

  为了构筑可控界面,研究团队通过镁金属可控还原制备得到纳米TiO颗粒,再进一步氧化构建TiO@TiO1+x核壳结构。TiO为从金红石型二氧化钛衍生而来的系列亚氧化钛(TinO2n-1)中的一种,而这系列亚氧化钛具有类似的晶胞参数,预示着系列TiO化合物之间可以精准构筑晶格匹配的连续界面。基于电子能量损失谱(EELS)分析,O/Ti摩尔比沿非晶层(~5nm)的径向方向从1.01.9呈正线性变化,表明界面连续。同时,磁性和电子输运测量证实,TiO@TiO1 + x具有11K的超导转变温度,是一种在2K下具有65 Oe的较低临界场的第二类超导体。这也是首次在二元TiO系统中观察到超过10K的超导特性。此外,这种固相法构建超导界面策略具有广泛的普适性,易于拓展至钒、铌等其它NaCl结构的氧化物体系。

  黄富强课题组自2012年初即开展黑色二氧化钛等TiO体系的基础研究,并取得系列创新成果。基于电子结构的带阶设计,利用热力学原理,发展出氧空位产生、二步元素掺杂等合成黑色氧化钛的新方法,获得原创的具有<结晶核@非晶壳>结构的黑色纳米TiO2,实现了宽太阳光谱响应、高载流子分离迁移率以及功函数可调等特性,光吸收覆盖整个太阳光谱的90%(远优于一般文献报道的30%),解决了非金属元素高浓度掺杂的科学难题。在J. Am. Chem. Soc.Adv. Mater.Energy Environ. Sci.等期刊上发表论文30篇,他引3500余次,4篇文章入选ESI高被引论文;受邀为Chem. Soc. Rev.Adv. Energy Mater.等期刊撰写综述论文。

  上述系列研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院和上海市科委等项目的资助。

 

纳米TiO@TiO1+x制备示意图

 

纳米TiO@TiO1+x超导特性 

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文章关键字: 物性  硅酸盐  上海

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