二维层状材料一直都是材料学和物理学领域的热门研究话题，其优异的电子性质和光电性能具有前所未有的应用前景。在二维材料中，相邻层之间靠范德华力连接起来，这就为调制其物理性质提供了极大的灵活性。近年来，在备受关注的双层石墨烯和同质/异质双层过渡金属二硫化物（TMDs）中，人们发现层间堆叠角度的微小变化会导致许多奇异的现象，例如相关绝缘态、可调的超导性、铁磁性、拓扑性、维格纳晶体和莫尔激子特性等等。这些研究揭示了层间耦合和堆叠角度在塑造二维材料独特性能方面起着重要作用。高压作为一种不引入杂质却可以有效调节层间相互作用的手段，已被用来研究二维转角材料中莫尔超晶格相关的电子态。在双层转角石墨烯中，已证实压力可动态调节其能带结构或诱导超导电性。然而对于转角TMDs，目前还没有相关高压下层间堆叠角度对其独特性能影响的研究。

针对以上问题，吉林大学超硬材料国家重点实验室刘冰冰教授、李全军教授团队与上海硅酸盐研究所/北京大学的黄富强教授团队在《Journal of the American Chemical Society》期刊上发表了题为“Abnormal Metal−Semiconductor-Like Transition and Exceptional Enhanced Superconducting State in Pressurized Restacked TaS₂”的通讯文章（DOI: 10.1021/jacs.3c03560）。该工作对一种新型二维TMD—重堆垛TaS₂（简称RS-TaS₂）进行了深入的实验研究，发现其在高压下呈现出异常且丰富的电子态变化。该样品由多个单层2H-TaS₂重新堆叠而成，因层间重排导致相邻层vdW力变弱且堆叠角度多样化，因此具备转角二维材料的特性。RS-TaS₂在压力增加到13.4 GPa时，T_c温度之上的正常态发生了从金属到类半导体的异常转变。随压力增加，这种异常的类半导体态迅速增强并在37.8 GPa时达到最强，并在之后占据主导。在150 GPa之后，类半导体态开始衰退，金属态趋势逐渐恢复。低温下的超导电性并没有因类半导体态的出现而消失，反而在很宽的压力范围内在R-T曲线上与类半导体态共存，这在其他TMDs中从未被观察到。值得注意的是，当压力增加到67.1 GPa时，RS-TaS₂体系出现了一个全新的超导态SC-II。进一步压缩后，SC-II态迅速增强并逐渐取代初始的SC-I态，且这一过程中并无晶体结构的改变。该团队也曾对RS-TaS₂的母体2H-TaS₂及同质异形体1T-TaS₂做了系统的超高压晶体结构和电学性质研究，相关工作发表在了《Advanced Materials》（DOI: 10.1002/adma.202103168）和《npj Quantum Materials》（DOI:10.1038/s41535-021-00320-x）期刊上。发现1T-TaS₂在压力下发生从层状到非层状的结构转变，并伴随着超导电性的再增强；在2H-TaS₂中发现层间结构压力调制引起费米面附近电子态的变化导致高T_c（～16.4 K）的超导态（SC-II），打破了原有TMDs的T_c纪录。相比于母体及1T相，RS-TaS₂的SC-II态具有更稳固的零电阻超导电性和超高的上临界场，表现出更优异的性能。尤其是，由于层间堆叠角度的存在，RS-TaS₂中发生了异常的金属-类半导体态的转变，而母体2H-TaS₂及1T相却没有类似的变化。进一步的分析发现，RS-TaS₂丰富的电子态变化可能与压力诱导的层间堆叠角调制产生的能带结构工程密切相关。这些结果表明，对TMDs体系而言，层内原子排布、层间的耦合作用和堆叠方式对塑造其电子特性有着显著的影响，层间耦合、层间堆叠角度等是调控二维材料的新奇物性的新维度，为探索二维材料的独特性能提供了新的视角。

图1.高压下RS-TaS₂的电阻随温度变化曲线，最高研究压力~180.0 GPa。（a，d，e）0.5-13.4，13.4-37.8和40.4-179.9 GPa之间的电阻-温度曲线。（b）低压区的温度-压力相图。（c，f）13.4和67.7 GPa的电阻-温度曲线。（g）146.2-179.9 GPa之间的归一化电阻-温度曲线。（h）64.6-179.9 GPa之间临近T_c的电阻-温度曲线。T_c/T_s/T_m分别代表超导、类半导体和金属转变的临界温度。

图2. RS-TaS₂的上临界场测试。（a，b，c）8.0，26.9和131.2 GPa下的电阻-温度曲线随磁场的变化。（a，b）中的插图和（d）分别展示了使用经验公式H_c2(T) =H_c2*(1 -T/T_c)^{1 +a}对T_cvsH曲线的最佳拟合。

图3. RS-TaS₂的临界温度随压力变化的相图。.红色和黑色分别代表两次实验的数据。空心和实心圆代表SC-I和SC-II态的T_c；空心和实心三角代表T_s和T_m。

该论文的第一作者为吉林大学超硬材料国家重点实验室的董青博士、李淑甲博士和南京工业大学的潘杰博士，通讯作者为吉林大学超硬材料国家重点实验室的刘冰冰教授、李全军教授和上海硅酸盐研究所/北京大学的黄富强教授。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助支持。

原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.3c03560