TaSe 2-XTex中的多型性、多态性和超导性外文翻译资料

本科毕业设计（论文）

外文翻译

TaSe ₂-_XTe_x中的多型性、多态性和超导性

作者：Huixia Luo^a,1, Weiwei Xie^a, Jing Taob, Hiroyuki Inouec, Andras Gyenisc, Jason W. Krizana, Ali Yazdanic, Yimei Zhub, and Robert Joseph Cava^a,1

国籍：美国

出处：Robert Joseph Cava 于2015年2月9日投稿

中文译文：

摘要：材料中的多态性通常会导致显著不同的物理性能——二氧化钛的金红石和锐钛矿多晶型就是典型的例子。多型性是一种特殊类型的多态性，当重复结构层的几何形状保持不变但整个晶体结构的层堆叠顺序可变时，就会出现在层状材料中；SiC是一种具有多种多型的材料。尽管多晶型物可能具有完全不同的物理性质，但多晶型物以戏剧性的方式影响物理性质的情况要罕见得多。在这里，我们研究了多型性和多态性对TaSe₂超导电性的影响，TaSe₂是层状二硫化物大家族的原型成员之一。我们表明，可以在TaSe₂-_xTex固溶体中获得两种稳定的多晶型物和两种稳定的多晶型物，并发现3R多晶型物的超导转变温度比更常见的2H多晶型物高6至17倍。这种显著变化的原因并不明显，但我们认为，这要么是由于Tc显著依赖于存在的单层特性的细微差异，要么是由于层堆叠顺序对电子特性产生了令人惊讶的影响，而电子特性通常被这类材料中单层的特性所控制。

正文：

超导性|多型性|多型性|二价金属|电荷密度波

MX2层状过渡金属二元化合物(TMDCs、TM = Mo、W、V、Nb、Ta、Ti、Zr、Hf或Re，X = Se、S或Te)因其低维数(1-9)而具有丰富的电子性质，因此长期以来备受关注。在结构上，这些化合物可被视为具有强键结(2D) X-M-X层，其中M与X呈三角棱柱或八面体配位，以及范德华型的弱层间X-X键结。许多这类材料表现出电荷密度波和电荷密度波(CDWs)与超导性之间的竞争。参考文献:5-9.在TMDCs中，二硒钽(2H-TaSe₂)的2H (H:六角形)多型被认为是基础材料之一(8-18)，在123 K时显示出从金属相到非公度电荷密度波(ICDW)相的转变，随后在90 K时“锁定”到相应电荷密度波(CCDW)相的转变。它最终成为一种转变温度(Tc)相当低的超导体，为0.15 K。尽管已经对2H-TaSe2中的CDWs和超导性进行了详细的研究(16-18)，但尚未从化学角度对TaSe2的多型和多晶型的超导性进行比较研究。

TaSe2具有高度多态性，可能是TMDCs中多态性最强的(19)。以它的一些形式，特别是2H和3R (R:菱形)多型(图。1A)，在沿六边形(或菱面体)晶胞c轴堆叠的Se-Ta-Se层中的三棱柱配位中发现了Ta。2H和3R多型仅在堆叠周期上有所不同——这种结构以2H形式重复两层，以3R形式重复三层(20-22)。3R形式是可以合成的，但它不是稳定的变体(2H形式)，因此很少有人研究。在另一种多晶型物1T (T:三棱)型中，在Se-Ta-Se层和沿三棱细胞c轴堆叠的层的八面体配位中发现Ta，使得该结构仅在一层后重复(23)(图。1A)。同样，1T表格也不是很多研究的主题。在这里，我们表明3R和1T多晶型物在TaSe2-xTex系统中都非常稳定，并且它们都是超导的。对于纯态2，单斜结构基于1T(图。1A)，但是被扭曲使得在单元电池(24)中存在两个非等价Ta和三个非等价Te位置；我们发现这种多晶型的TaSe2-xTex在低至0.4 K时不具有超导电性。

我们报道了0 lt; x lt; 2的TaSe2-xTex的结构和超导性质。成功合成了2H、3R、1T和单斜扭曲1T结构形式。只有少量的Te掺杂(x = 0.02)使2H-塔斯品系2转变为3R多型。在3R多型中，TaSe2-xTex显示在0.1 lt;x lt; 0.35的情况下，CDW和超导性在0.4 K以上共存.3R-tase 1.65t 0.35多型的富Te极限显示系统中Tc最高，为2.4 K，是2H-TaSe2的17倍.对于0.8 lt; x lt; 1.3，出现1T型TaSe2-xTex，其Tc较低，为0.5-0.7 K。在较高的Te取代(1.8 lt; x lt; 2)下，TaSe2-xTex再次发生变化，变为单斜晶型，并在0.4 K下表现出正常的金属行为。我们认为，同价Te/Se取代作用调节了层的各向异性，诱导了3R到1T转变，与之前提出的一致(25)。2H向3R转型的驱动力目前尚不清楚。

意义

虽然物质的多晶型物通常具有显著不同的物理性质，但当结构层的几何形状保持不变但层堆叠序列中的层数发生变化时，多型体很少发生变化。我们在这里发现，用Te的随机取代来代替一些Se来诱导TaSe的结构变化？，这是一种经典的层状二硫化物，因此不同多型和多晶型的超导转变温度(Tc)有很大不同，尤其是从一种多型转变为另一种多型时。这一观察结果表明，Tc对层堆叠序列的敏感性令人惊讶，或者Tc对伴随多型性变化的层几何形状的微小变化的敏感性类似地令人惊讶。

作者贡献:H.L .、J.T .、A.Y .、Y.Z .、R.J.C .设计研究；H.L .、W.X .、J.T .、H.I .、A.G .、J.W.K .、A.Y .和Y.Z .进行研究；H.L .、W.X .、J.T .、H.I .、A.G .、J.W.K .、A.Y .、Y.Z .和R.J.C 。 分析数据；H.L .、W.X .、J.T .、H.I .、A.G .、J.W.K .、A.Y .、Y.Z .和R.J.C .撰写了这篇论文。

审查员:爱丁堡大学法学博士；和m。-中央研究院，K.W .

作者声明没有利益冲突。

可通过PNAS开放获取选项在网上免费获取。

图1.TaSe2-xTex多型和多晶型的结构表征和分析。(A)2H-tase 2、3R-TaSe1.65Te0.35、1T-taste和单斜晶系TaTe2的晶体结构.(B)3R-ta se 1.65t 0.35的粉末X射线衍射图.插图显示了2H-TaSe2 (38)和3R-TaSe2-xTex的晶格参数比降低，(c/n)/a，其中n =每个像元的层数。(C)1T-state se的粉末X射线衍射图。插图显示了1T-TaSe2-xTex的缩减晶格参数比(c/n)/a。(D)对于2H-、3R-、和1T-TaSe2-xTex，面内晶格参数a随x的变化。(E)对于2H-、3R-、和1T-TaSe2-xTex，还原堆积方向晶格参数c/n随x的变化。(六)税收的变化？板坯厚度((c )( Az))，x为2H-、3R-、和1T-TaSe2-xTex。(G)对于2H-、3R-、和1T-TaSe2-xTex，范德华间隙(vdWG)厚度随x的变化。

结果和讨论

按照方法中所述制备TaSe2-xTex的多晶样本。在0.02 lt; x lt; 0.35的组成范围内，样品具有非中心对称的菱面体3R结构(R3m，空间群160)，其粉末X射线衍射(PXRD)图证明了这一点。单晶X射线衍射和电子衍射也证实了该组成范围内材料的3R结构。表1和表2总结了从3R相单晶的定量结构细化中确定的详细晶体学数据.在3R-TaSe1.7Te0.3的精细晶体结构中，Ta原子位于由Te和Se原子随机混合物包围的三棱镜中。用理想的3R原子坐标细化结构会留下一个显著的正剩余电子密度，该模型对此不予解释。通过研究详细的电子密度图，通过钽层中“额外”原子位置的存在，观察到了这类晶体结构中常见的层堆叠缺陷，占5%水平；因此，定量研究的3R TaSe1.7Te0.3晶体中约5%的层以违反3R相的理想A-B-碳堆叠的方式堆叠。使用PXRD数据(方法)的雷特菲尔德细化来指定3R和1T固溶体中(Se，Te)原子位置的z坐标，从而可以分别测定TaX2和范德华层厚度。

为了比较不同形式的TaSe2-xTex的结构稳定性，最有启发性的方法是将c轴晶格参数除以堆叠重复层中的层数n，然后比较由此获得的c/a比(c/n)/a，以定义单个MX2层(“下面的板”)及其相关范德华间隙的结构特征。在图1中。1 B和C时，Insets分别显示2H (n = 2，x = 0)、3R (n = 3，0.02 lt; x lt; 0.35)和1T (n = 1，0.8 lt; x lt; 1.3)相的c/a比降低(c/n)/a的x变化。如图所示，在3R形式下，(c/n)/a比随着x的增加而增加，在2H至3R跃迁处有一个不连续点，并且始终小于理想比，这对于密排的三棱柱形排列被认为是2.0 (26)。

对于1T多晶型物，(c/n)/a比值下降，随着x的增加变化相对较小。在这种情况下，(c/n)/a比略大于理想值1.633 (26)。如其他人(26)所述，3R多型变得不稳定且1T多晶型变得稳定的(c/n)/a比值与MX2相的预期一致。

例.1 D和E显示了在整个组成稳定性范围内，TaSe2-xTex的2H、3R和1T形式在堆叠方向上的室温面内晶格参数(a)和简化晶格参数(c/n)的变化。随着更大的Te取代Se，整个系列中观察到了a和c值随x增加而变大的总体趋势，但不同结构形式的组成依赖性也通常不同，且在形式之间的过渡处存在不连续性。在较高x下会遇到MX2相的混合物，直到发现1.8 lt; x lt; 2.0的扭曲1T结构。

通过单独考虑TaX2板坯厚度和范德华间隙厚度的成分相关性，可以更详细地了解TaSe2-xTex系列的结构变化。这如图2所示。1 F和G，TaX的变化在哪里？给出了板坯厚度[(c)、(Az)，其中c是c轴长度，Az是Ta层上下X位置的精确z坐标差]和相似确定的范德华间隙(vdWG)厚度。如图所示。1F时，TaX2板的厚度基本上随着所有形式的x增加而连续增加，斜率从3R变化到1T多晶型。相比之下，在3R或1T多型中，范德华间隙厚度随x的变化很小，从3R到1T多型转变时，厚度会显著减小。决定观察到的行为的因素见图。目前还不知道1 F和G。

为了确定CDW是否以3R和1T形式存在于TaSe2-xTex中，在低温下通过电子衍射和扫描隧道显微镜(STM)对材料进行了研究。从单晶畴获得的温度相关电子衍射图(图。2 A和B)揭示了两种材料中有关CDW的关键信息。在3R型中，低于环境温度的冷却塔e2-xTex上会出现强烈的CDW效应。CDW在电子衍射图中产生额外的峰值，在330 K时已经很弱可见。对于3R TaSe1.9Te0.1，超晶格峰首先处于不适应位置且较弱，但随后在降低温度时显著变尖并增强，直至在10 K时变尖且变强，表明低温下CDW在长范围内定义明确且有序。在较高温度下互逆空间中斑点的非公度位置表明，首先存在q矢量大于0.33的ICDW相.ICDW衍射斑点然后在冷却时改变位置，直到它们锁定在大约100 K的几乎相当的位置，q 〜0.32。获得电子衍射图的照射区域相对较大，光束直径大于300 nm。在低温锁定CDW相中观察到的小的不可通约值(与0.33的相应值相比小于0.01)可能来自低温CDW相中的缺陷和畴壁；正如STM地形图所示(见下文)，在绝大多数材料上，CDW被锁定在一个与底层原子晶格相当的关系中。因此，我们认为这是一个相应的CDW，波矢量q = 0.33.图1所示的10k电子衍射图。2A是这一低温CCDW阶段质量的标志。在锁定跃迁时，CDW衍射光斑的强度显著增加，表明其在CCDW状态下增强。从电子衍射研究中获得的3R TaSe1.9Te0.1中CDW的温度相关特性总结于图1。2C . 因此，与TaSe2的2H形式类似，3R-TaSe1.9Te0.1首先具有ICDW，然后在进一步冷却时锁定到CCDW阶段。CCDW相位的q矢量，q1 = q2 = 0.33，表明沿a1和a2的面内单位像元被CDW放大了两倍。

3R-TaSe1.9Te0.1和3R-TaSe1.7Te0.3上的STM测量提供了CCDW相位的附加特性。原子尺度的地形图像(图。3)在低于CDW转变温度的两个样品的表面上显示在真实空间中三倍的面内单位单元。而TaSe1.9Te0.1中的CDW超晶格清晰可见(图。3 A和B)，即在TaSe1.7Te0.3中被该疾病中度掩蔽(图。3 D和E)。然而，两个样本的地形图像的傅立叶变换(图。3°C和F)明确显示了q1 = q2 = 0.33时的CCDW主峰.因此，在3R阶段，高和低Te含量均存在CDW效应。值得注意的是，即使存在Se/Te固溶体引起的强无序，我们也观察到CDW相未受扰动，在视场(~40 nm x 40 nm)中仅出现单畴CDW。此外，STM数据表明，从电子衍射图中推断出的CDW在两个面内方向上使晶胞明显增加三倍并不是由于不同取向的单q畴重叠造成的；即，。这是2D·CDW。此外，在100 K单晶衍射实验中，CDW相位的衍射斑点是可见的；

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