ASC Nano：高温超导新发现 掺杂Q-碳材料

【引言】

碳基强结合材料由于其存在高温超导的潜力因而受到科学家们的高度关注。掺杂适当的掺杂剂可以为碳基材料提供自由载流子，进而可以提高材料的导电性能，使高温超导成为可能。近日，有学者报道了一个新发现，无定形碳可以通过纳秒激光熔化在超过冷状态下快速淬火而转化成Q-碳或金刚石，经掺杂硼后，Q碳转变为顺磁性，随着B浓度的增加，超导体转变温度(T_c)逐渐增大，呈现出超导行为。

【成果简介】

近日，美国北卡罗莱纳州立大学Jagdish Narayan(通讯作者)团队在ASC Nano上发布了一篇关于超导材料的文章，题为“Discovery of High-Temperature Superconductivity (T_c=55K) in B-Doped Q-Carbon”。

作者通过纳秒激光熔融技术在超过冷状态下快速淬火将无定形碳转化成Q-碳，然后掺杂浓度为27％B，从而在Q-碳中实现了55K的超导转变温度(T_c)，这个数值是在块状碳基材料中常规BCS超导性的最高转变温度T_c。

研究结果表明，有含量为67%的B存在于sp³杂化态的碳中，这是导致Tc显著增加的原因。此外，作者通过对振动模式的研究，推断出在费米能级附近存在较高的态密度及较强的电子-声子耦合从而导致高达55K的T_c。

【图片导读】

图1 样品的电磁性测试结果

(A) B掺杂的Q-碳薄膜的磁矩与温度关系图；

(B) 各种温度下的M-H环;

(C) B掺杂的Q-碳薄膜的上临界场与下临界场；

(D) 电阻率随温度的变化。

图2 样品的扫描透射电子显微镜图像

(A) 较大靶区的合成示意图；

(B) 浓度为27％的B掺杂Q-碳的ADF图像;

(C) 较小靶区的合成示意图；

(D) 较低浓度的B掺杂Q-碳的ADF图像。

图3 样品的电子能量损失谱（EELS）

(A) (B)中标记的不同区域的EELS；

(B) B掺杂Q-碳横截面的HAADF图像。

图4 样品的拉曼光谱

(A) T_c=36K和55K的B掺杂Q-碳薄膜的拉曼光谱；

(B) B掺杂Q-碳(Tc=36K和55K)和沉积态B-C的电子拉曼光谱;

(C) 不同B含量的能级示意图。

图5 C-B多层结构的激光诱导熔化和固化

纳秒脉冲激光退火工艺（<100ns）使得B掺杂Q-碳中形成受主电子态和强电子-声子耦合，在费米能级附近的强电子-声子耦合和高密度状态导致B掺杂Q碳中表现出的高温超导性。

【小结】

这篇文章介绍了在B掺杂的Q-碳薄膜中，获得T_c为55.0±0.5 K的II型高温超导体。高的Tc是由于Q碳中掺杂了B（27at％），并进行了纳秒激光诱导的均匀熔化和随后的B-C层淬灭处理。该合成过程通过溶质俘获将掺杂剂浓度提高到超过热力学溶解度极限的数值，同时溶质可以并入取代位置而不影响它们的能级和电离效率。高电子-声子耦合和接近费米能级的电子态密度的增加促使了高掺杂相表现出高温超导性。B掺杂Q-碳中高温超导性的发现将会促进科学家们在碳基强结合材料中寻找近室温超导性的进一步研究。

文献链接：Discovery of High-Temperature Superconductivity (T_c=55 K) in B-Doped Q-Carbon (ASC Nano, 8 November, 2017 , DOI: 10.1021/acsnano.7b06888）

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