日本理化學研究所的科學家發現如何利用專門的電晶體技術將二硫化鉬製成超導體、金屬、半導體或絕緣體。透過插入鉀離子並調整條件，它們可以引發材料電子態的劇烈變化——甚至出乎意料地將其轉變為超導體或絕緣體。這種對單一二維材料的全新控制水平，有望為下一代電子學和超導研究帶來令人興奮的突破。

釋放單一材料的多功能性

日本理化學研究所（RIKEN）的物理學家團隊開發了一種基於電晶體的技術，該技術可使單層材料呈現出多種電子行為，使其能夠充當超導體、金屬、半導體或絕緣體。這種方法有望幫助人們發現新的超導材料。

領導這項研究的日本理化學研究所新興物質科學中心的岩佐義弘(Yoshihiro Iwasa) 表示：“從材料科學的角度來看，基於單一材料的多種電子特性對我們來說非常有趣。”

所討論的材料是二硫化鉬（MoS 2），它可以分離成原子級薄層。每層由夾在硫原子層之間的鉬原子組成。根據這些硫原子的排列方式，MoS 2可以存在於兩種不同的結構相中：2H相，其行為類似於半導體；以及1T相，其行為類似於金屬。

Iwasa 指出：“2H 二硫化鉬在下一代半導體裝置中的應用前景十分廣闊。”

場效電晶體的照片。插圖中心的青綠色區域是二硫化鉬薄片，它可以是超導體、金屬、半導體或絕緣體

利用鉀離子導引相移

為了探討材料如何在不同相之間轉變，研究人員建構了一個場效電晶體，並將其連接到2H相二硫化鉬樣品上。透過調節施加在電晶體上的電壓，他們能夠高精度地控制鉀離子插入材料。

隨著鉀濃度的增加，材料突然從2H相轉變為1T相。這種變化發生在每五個鉬原子對應約兩個鉀離子的情況下，突顯了離子濃度與相行為之間的明確關聯。

觸發超導性

然後，透過加入適量的鉀並將樣品冷卻至-268°C，研究人員發現1T相變成了超導體。

雖然先前在2H相中也觀察到了超導現象，但這在1T相中卻是意料之外的，而且發生在不同的溫度下。 「對我們來說，最大的驚喜是，當我們引入鉀離子時，我們觀察到了超導現象，」Iwasa說。

意外的絕緣轉變

更多的驚喜還在後頭。當研究人員讓1噸二硫化鉬中的鉀離子洩漏出來，直到鉀離子含量相對較低，並將其溫度設定為-193°C時，這種材料從金屬變成了絕緣體。

“我們發現這很有趣，因為我們沒想到會發生這種現象，”Iwasa 說。

這些結果表明，以這種方式引入鉀離子是控制二硫化鉬等二維材料的結構和性質的有效方法。

「我們在過去十年裡一直在開發這種方法，」Iwasa說。 “我們已經證明，它不僅有助於探索超導體及其相關電子相的新特性，還有助於發現新的超導體。”

編譯自/ ScitechDaily