近年來，層狀含鉍化合物因其在熱電材料、拓撲絕緣體以及光催化材料等領(lǐng)域所表現(xiàn)出的優(yōu)異性質(zhì)而受到廣泛的關(guān)注和研究。2012年Mizuguchi Y.等人報道了Bi4O4S3和LaO1–xFxBiS2的超導電性，隨后人們發(fā)現(xiàn)了Bi3O2S3，REO1–xFxBiS2 (RE = La, Ce, Pr, Nd, Yb)、La1-xMxOBiS2 (M = Ti, Zr, Hf, Th)，Sr1–xLaxFBiS2和LaO1–xFxBiSe2等數(shù)十種超導體，共同構(gòu)成了BiCh2基超導體家族（Ch = S或Se）。這一家族的所有化合物均含有[Bi2Ch4]2–超導層，以及多種不同的絕緣層，如[Bi2O2]2+，[RE2O2]2+，[Sr2F2]2+和[Eu3F4]2+層等。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心超導國家重點實驗室SC10組長期進行新型超導體的探索研究，在2014年即首次報道了LaO1–xFxBiSSe中增強的超導電性（arXiv: 1404.7562）。最近，該研究組的博士研究生阮彬彬、趙康等人在研究員任治安的指導下，發(fā)現(xiàn)了新型四元化合物Bi3O2S2Cl。粉末X射線衍射表明該化合物屬于I4/mmm (No. 139) 空間群，晶格常數(shù)a = 3.927(1)埃，c = 21.720(5)埃。通過調(diào)節(jié)S含量，Bi3O2S2Cl實現(xiàn)了從半導體到超導體的轉(zhuǎn)變，超導轉(zhuǎn)變溫度Tc約為3.5 K（圖1）。

圖1. Bi3O2S2Cl的晶體結(jié)構(gòu)以及自摻雜引起的超導電性

通過與先進材料與結(jié)構(gòu)分析實驗室研究員楊槐馨等人合作的透射電鏡研究分析表明，Bi3O2S2Cl由[Bi2O2]2+和[BiS2Cl]2–層交替堆疊構(gòu)成（圖2）。其中[BiS2Cl]2–層是由Bi-Cl無限四方平面層構(gòu)成，S原子位于八面體上下頂點上。在鉍的鹵化物中，該類型的結(jié)構(gòu)尚屬首次報道?；魻栃獪y量表明該化合物為n型半導體，通過S空位的摻雜，可以引入載流子進而誘發(fā)超導。該化合物的超導層為[BiS2Cl]2–層，與已知的BiCh2基超導體均不相同。研究小組通過優(yōu)化實驗條件，成功得到了Bi3O2S2Cl單晶樣品，并在此樣品中觀測到體超導電性，Tc約為2.8 K（圖3）。

圖2. 多晶Bi3O2S2Cl的SEM與TEM圖譜

圖3. Bi3O2S2Cl單晶樣品的超導電性與XRD衍射圖譜

在Bi3O2S2Cl中所發(fā)現(xiàn)的新型[BiS2Cl]2–層是一種新的結(jié)構(gòu)單元，通過改變絕緣層[Bi2O2]2+，有望合成出更多的新型層狀含鉍化合物，在新型超導體和熱電材料等研究領(lǐng)域具有重要價值。該研究成果發(fā)表于《美國化學會志》。

該項研究工作得到國家自然科學基金委員會、科技部“973”項目、中科院先導項目和中科院青年創(chuàng)新促進會優(yōu)秀會員基金以及松山湖材料實驗室的支持。

論文鏈接（https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/jacs.8b13796）