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日本理化学研究所的一项研究表明，在二硫化钼原子层之间挤入适量的钾离子，可将其从半导体转变为金属、超导体或绝缘体。通过使用由日本理化学研究所物理学家开发的晶体管器件来调整其电子特性，可使同一种层状材料表现为超导体、金属、半导体或绝缘体。
该研究发表在《纳米快报》杂志上。
研究团队负责人、日本理化学研究所新兴物质科学中心的 Yoshihiro Iwasa 表示:“从材料科学的角度来看，基于单一材料的多种电子特性对我们来说非常有趣。”
这种材料是二硫化钼，它可以分离成一种极薄的晶体，其中包含夹在硫原子之间的钼原子层。这些硫原子可以以不同的方式排列，形成两个不同的相，称为 2H 和 1T。2H 相是半导体，而 1T 相是金属。
Iwasa 指出:“2H 二硫化钼在下一代半导体器件中有着极好的应用前景。”
日本理化学研究所的研究人员现在更详细地研究了这种相变。他们制造了一种称为场效应晶体管的装置，并将其连接到 2H 二硫化钼样品上。通过改变晶体管电压，他们可以精确地将钾离子引导到材料中。
随着更多的钾进入材料，材料的相突然从 2H 变为 1T——大约每五个钼原子就有两个钾离子。
随后，通过加入适量的钾，并将样品冷却至-268℃，研究人员发现1T相变成了超导体。
虽然之前在 2H 相中也观察到了超导现象，但对于 1T 相来说，这是意料之外的，而且发生在不同的温度下。“对我们来说，最大的惊喜是，当我们引入钾离子时，我们观察到了超导现象，”Iwasa 说。
更多的惊喜还在后面。当研究人员让钾从 1T 二硫化钼中泄漏出来，直到其中包含相对较低的离子水平并将其温度设置为 –193°C 时，该材料从金属变成了绝缘体。
Iwasa 说道:“我们发现这很有趣，因为我们没想到会发生这种现象。”
这些结果表明，以这种方式引入钾离子是一种控制二硫化钼等二维材料结构和性质的有效方法。该方法可能有助于发现新的超导体。
“我们在过去十年中一直在开发这种方法，”Iwasa 说道。“我们已经证明，这种方法不仅有助于探索超导体和相关电子相的新特性，还有助于发现新的超导体。”
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