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层状过渡金属硫族化合物压应力效应的多维度探究与应用展望

一、引言

1.1研究背景与意义

层状过渡金属硫族化合物（LayeredTransitionMetalChalcogenides，LTMCs），化学式通常表示为MX_n（M为过渡金属元素，如Fe、Mo、W等；X=S、Se、Te；n一般为1或2），作为凝聚态物理领域的明星材料，近年来吸引了科研工作者的广泛关注。这类材料具有独特的层状结构，层内原子通过强共价键结合，而层间则依靠较弱的范德华力相互作用，这种特殊的结构赋予了它们许多新奇的物理性质。

以“11”相铁基超导体FeSe体系为例，FeSe的结构和组分在铁基超导体中最为简单，常压下其超导临界温度T_c仅约9K。然而，令人惊奇的是，T_c对结构和微结构的变化极为灵敏。在高压条件下，其超导转变温度T_c可提高到37K；在单层薄膜体系中，T_c更是能飙升至100K以上。这种超导性能的显著变化，暗示着结构与超导特性之间存在着深刻的内在联系。

又如光电半导体材料MX_2（M=Mo、W；X=S、Se）体系，具有层状六方结构，在光电子学领域展现出广阔的应用前景。其光电性能，如光吸收、光发射效率，以及能带结构，包括带隙大小、能带分布等，都与材料的结构和微结构性质密切相关。不同层数的MoS_2，由于层间相互作用的变化，其能带结构会发生显著改变，进而导致光电性能的差异。

压力，作为一种有效的外部调控手段，在凝聚态物理研究中扮演着关键角色。它能够对凝聚态体系的结构和微结构进行精确调节，如同一位神奇的“工匠”，改变材料原子间的距离、键角等结构参数，进而影响材料的电子云分布、电子态密度等微结构性质。通过研究外加压力、薄膜衬底压应力效应、元素替代产生的化学压等因素对材料结构、磁性、电学性质等的影响，就像是揭开层层迷雾，能够揭示很多深层次的物理本源。

在材料的结构方面，压力可以诱导晶格畸变、相变等现象。在高压下，一些层状过渡金属硫族化合物可能会发生从六方相到正交相的结构转变，这种结构的改变会导致原子排列方式的变化，进而影响材料的物理性质。在磁性方面，压力能够改变材料中原子的磁矩大小和磁相互作用强度。某些铁磁性的层状过渡金属硫族化合物在压力作用下，可能会出现磁矩减小甚至磁性消失的现象，这为研究磁有序与结构之间的关系提供了重要线索。在电学性质方面，压力可以改变材料的电导率、载流子浓度和迁移率等。对一些半导体性质的层状过渡金属硫族化合物施加压力，可能会使其电导率增加，甚至发生半导体-金属转变。

研究层状过渡金属硫族化合物的压应力效应，对于深入理解材料的物理性质和拓展其应用具有重要意义。从物理本质研究的角度来看，压应力效应为揭示材料中各种物理现象的内在机制提供了独特的视角。通过精确控制和研究压应力对材料的影响，可以深入探究超导、半导体-金属转变、电荷密度波等新奇物理现象与材料结构、电子态之间的关联，从而为建立更加完善的凝聚态物理理论提供实验依据和理论支撑。

从应用拓展的角度来看，对层状过渡金属硫族化合物压应力效应的深入理解，有助于推动其在多个领域的应用。在超导领域，通过施加压应力来提高超导临界温度和临界磁场，有望开发出新型的高温超导材料，用于制造高性能的超导电缆、超导磁体等，这将在能源传输、磁共振成像等领域带来革命性的变革。在光电子学领域，利用压应力对材料光电性能的调控作用，可以设计和制备出具有特殊光电响应的器件，如高性能的光电探测器、发光二极管等，满足通信、显示等领域对高性能光电器件的需求。在传感器领域，基于层状过渡金属硫族化合物对压力敏感的特性，可以开发出高灵敏度的压力传感器，用于压力检测、生物医学传感等领域。

1.2研究现状

近年来，层状过渡金属硫族化合物的压应力效应研究取得了显著进展，国内外学者从多个角度展开深入探究，为理解这类材料的物理性质和潜在应用提供了丰富的理论和实验依据。

在铁基超导体领域，以FeSe体系为代表，其在压应力下的超导特性变化备受关注。中国科学技术大学的王雪霏等人制备了高质量的FeSe单晶，并通过商用胶带剥离法获得薄单晶样品，研究发现双轴压应力可使超导临界温度Tc比块材样品提升30%-40%，上临界磁场Hc2提高约20%，同时表征自旋涨落增强的特征温度也有所提高，而结构相变/电子向列相变温度则有所降低，这一成果揭示了FeSe中超导电性、向列有序态和自旋涨落等在压应力下的演化过程。美国斯坦福大学的研究团队利用先进的薄膜制备技术，在不同衬底上生长FeSe薄膜，通过衬底与薄膜之间的晶格失配产生压应力，系统研究了压应力对FeSe薄膜超导性能的影响，发现随着压应力的增加，超导转变温度逐渐升高，且超导能隙也发生了明显变化，为进一步理解压