【摘 要】
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MAX相材料是指三元过渡金属碳/氮化物,化学式为Mn+1AXn,其中M为前过渡金属,A为第三、四主族元素,X为碳或氮,n=1-4。去除MAX相层间的金属层可以得到二维过渡金属碳/氮化物材料MXene。由于其特殊的二维层状结构导致的奇特的物性,迅速成为了跨学科的研究热点。特别的是,在Nb2C-MXene中发现了依赖于官能团的超导电性,但文献中关于Nb2C-MXene的超导电性在实验和理论上出现了一些
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MAX相材料是指三元过渡金属碳/氮化物,化学式为Mn+1AXn,其中M为前过渡金属,A为第三、四主族元素,X为碳或氮,n=1-4。去除MAX相层间的金属层可以得到二维过渡金属碳/氮化物材料MXene。由于其特殊的二维层状结构导致的奇特的物性,迅速成为了跨学科的研究热点。特别的是,在Nb2C-MXene中发现了依赖于官能团的超导电性,但文献中关于Nb2C-MXene的超导电性在实验和理论上出现了一些不一致的结果。本论文尝试从实验和理论两方面来澄清上述矛盾。我们通过水热法,氢氟酸刻蚀法,熔盐法制备了带有两种不同官能团的二维Nb2C-MXene样品,分别研究了样品在常压和高压下的超导电性,主要研究结果如下:(1)成功制备了带有两种官能团的Nb2C-MXene:Nb2CFx和Nb2CClx,两者在电镜下观察均具有明显的层状结构,通过XRD,SEM,XPS等表征手段证明了刻蚀以后的Nb2C-MXene为纯相,其母相Nb2Al C中的Al元素基本被刻蚀掉,相比之前报道的本研究制备的物相更纯。(2)通过直流磁化率和交流磁化率测量证明了Nb2CClx迈斯纳效应的存在,测量了Nb2CClx的电阻率随温度的变化曲线,发现了Nb2CClx的零电阻现象,证明了其超导电性,超导转变温度为5.2 K,同时对Nb2CFx也进行了相同的测量,发现Nb2CFx是不超导的。进一步测量了Nb2CClx在不同温度下磁化率随磁场变化曲线以及不同磁场下电阻率随温度的变化曲线,通过对数据进行Ginzburg-Landau方程拟合得到Nb2CClx的上临界场为3.57 T,下临界场为0.28 T,Ginzburg-Landau常数为2.41,证明其为典型的二类超导体。(3)探究了Nb2CFx和Nb2CClx二者能否出现超导电性的原因,排除了层间距对于超导与否的影响,对Nb2CClx在10~150 K的电阻率随温度变化的数据进行了弱局域化拟合,得到Nb2CClx的费米面态密度比Nb2CFx大,这可能是导致Nb2CClx出现超导电性的原因。(4)对Nb2CFx和Nb2CClx分别进行了密度泛函理论(DFT)计算,结果表明Nb2CF2声子模具有虚频,而Nb2CClx的超导转变温度为5.2 K,同时Nb2CClx的费米面态密度比Nb2CFx大,DFT理论计算和实验结果是相符合的,进一步验证了实验结论。(5)研究了Nb2CClx在高压下的结构和电输运特性,在20 GPa之前晶胞参数和电阻率都随压力的增大变化的比较明显,这是由于Nb2CClx具有层状结构的特点导致的。20 GPa以后其结构相对稳定,晶胞参数和电阻率随压力的变化较小,直到42.47 GPa仍未发生相变。电输运方面,随着压力增大Nb2CCl2的费米面态密度增大,但是由于局域化的增强减弱了电声相互作用,即超导被抑制了,使得20 GPa之前Nb2CCl2的Tc呈现出基本稳定甚至减小的情况。20 GPa之后,局域化强度保持稳定,对超导的抑制停止增加,此时再加压就会加强电声相互作用,使得Nb2CCl2的超导转变温度升高。
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