在材料科學(xué)的浩瀚星空中，二硒化鎢（WSe2）作為一種重要的二維層狀半導(dǎo)體材料，近年來因其獨(dú)特的物理性質(zhì)和廣泛的應(yīng)用前景，逐漸成為了科研界關(guān)注的焦點(diǎn)。日前，上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院李聽昕課題組、李政道研究所劉曉雪課題組發(fā)現(xiàn)了二硒化鎢在石墨烯超導(dǎo)研究中的突破性應(yīng)用。相關(guān)研究成果發(fā)表在Nature上。
一、二硒化鎢與石墨烯的奇妙結(jié)合
二硒化鎢，一種二維過渡金屬硫族化合物，其層狀結(jié)構(gòu)限制了熱量傳導(dǎo)，提高了熱電轉(zhuǎn)換效率，在電子器件、光電器件等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。
石墨烯，一種由單層碳原子組成的二維材料，具有極高的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和機(jī)械強(qiáng)度，是已知最薄、最堅(jiān)硬的材料之一，在電子學(xué)、光學(xué)、力學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。
研究團(tuán)隊(duì)通過將單晶雙層石墨烯與二維半導(dǎo)體二硒化鎢相結(jié)合，形成了一種全新的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)不僅保留了石墨烯的優(yōu)異導(dǎo)電性，還通過二硒化鎢的引入，豐富了其物理性質(zhì)，特別是在超導(dǎo)態(tài)的觀測(cè)上取得了重大突破。
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雙層石墨烯與二硒化鎢貼合形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)後，通過提升電場(chǎng)強(qiáng)度優(yōu)化樣品製備方法，他們首次在單晶雙層石墨烯的電子端通過柵極靜電摻雜發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)不僅填補(bǔ)了以往研究中的空白，也為理解晶體石墨烯及轉(zhuǎn)角石墨烯系統(tǒng)的超導(dǎo)機(jī)理提供了新的視角。
二、二硒化鎢在超導(dǎo)研究中的應(yīng)用
在超導(dǎo)材料的研究中，石墨烯因其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)一直備受矚目。石墨烯本身並不具備超導(dǎo)性，科學(xué)家們正在研究如何通過摻雜、施加壓力或引入缺陷等方式，使石墨烯在特定條件下表現(xiàn)出超導(dǎo)性。長(zhǎng)期以來，由於容易受到雜質(zhì)效應(yīng)的影響，石墨烯超導(dǎo)態(tài)的觀測(cè)和表徵一直是個(gè)難題。上海交大研究團(tuán)隊(duì)通過引入二硒化鎢作為襯底材料，有效提升了石墨烯的超導(dǎo)性能，使得在更高的電場(chǎng)下（1.6V/nm）觀測(cè)到穩(wěn)定的超導(dǎo)態(tài)成為可能。
這一發(fā)現(xiàn)不僅證明了二硒化鎢在提升石墨烯超導(dǎo)性能方面的獨(dú)特作用，也為未來設(shè)計(jì)基於石墨烯系統(tǒng)的高品質(zhì)新型超導(dǎo)量子器件提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論支援。
三、展望二硒化鎢的未來應(yīng)用
上交李聽昕/劉曉雪課題組的研究成果不僅為石墨烯超導(dǎo)領(lǐng)域的研究帶來了新的突破，也為二硒化鎢這一重要材料的應(yīng)用開闢了廣闊的前景。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和材料製備工藝的日益完善，二硒化鎢在新型量子器件設(shè)計(jì)中的潛力正在逐步顯現(xiàn)。其優(yōu)異的半導(dǎo)體性能和與石墨烯等材料的良好相容性，使得它成為製備高性能電子器件、光電器件以及量子計(jì)算元件的理想材料之一。
未來，隨著對(duì)二硒化鎢及其複合材料研究的不斷深入，我們有望看到更多基於這些材料的創(chuàng)新應(yīng)用。例如，在量子資訊領(lǐng)域，利用二硒化鎢的超導(dǎo)性和二維層狀結(jié)構(gòu)特性，可以設(shè)計(jì)出更加穩(wěn)定、高效的量子比特和量子門電路；在光電子器件方面，二硒化鎢的高光電轉(zhuǎn)換效率和可調(diào)控的光學(xué)性質(zhì)，則有望推動(dòng)光電器件性能的進(jìn)一步提升。
