稳态强磁场实验装置用户发现压力诱导光伏半导体ZnSiP2的超导电性
时间 : 2021-03-10     

   
最近,稳态强磁场实验装置(SHMFF)用户中科院合肥研究院强磁场科学中心杨昭荣研究团队与郑州大学的李新建教授合作,利用高压研究手段在三元黄铜矿光伏半导体光学、电学性质的调控研究中取得重要进展,相关研究成果以“Pressure-engineered optical properties and emergent superconductivity in chalcopyrite semiconductor ZnSiP2”为题,发表在Springer Nature出版集团的期刊 NPG Asia Materials上。 该研究部分实验结果在SHMFF所属的超高压物性测试系统上测量完成。 

黄铜矿半导体II-IV-V2作为闪锌矿材料III-V的等电子类似物,在非线性光学、光电子学、光伏学等领域具有广阔的应用前景。最近,黄铜矿半导体ZnSiP2(带隙Eg~2.01eV)受到了人们的广泛关注:一方面,由于它具有光吸收系数小、光响应快、开路电压高等优点,而且与传统半导体硅的晶格失配小、折射率匹配度好,元素组成价廉、丰富、无毒,所以它在串联叠层太阳能电池应用方面极具潜力。另一方面,相关的研究表明在阳离子子晶格中引入无序后,ZnSiP2还可以作为下一代锂离子电池的高性能阳极候选材料。  

近年来,压力作为一种洁净的维度,直接作用于晶格自由度,在光伏、光电材料的研究方面揭示了许多新现象和新效应,包括光致发光发射增强、载流子寿命延长、带隙优化、超导电性等。研究团队通过结合高压下的同步辐射X射线衍射、拉曼光谱、光致发光光谱、电输运测量等实验手段,对ZnSiP2样品高压下的晶体结构、光学和电学性质进行了详细的研究。相关的实验结果表明:(1)由于阳离子子晶格中产生了大量的阳离子无序,光致发光光谱的峰值能量在1.4-8.7GPa之间呈现一个平台,并伴随有压致变色现象。(2)随着压力的进一步增大,体系结构从四方相逐渐转变成高压立方岩盐相;体系发生结构相变时,立即出现超导电性,临界温度Tc高达8.2K。(3)有趣的是,Tc在24.6-37.1GPa的压力范围内降低,但在更高的压力(结构相变完全)下却相反地增加,因此体系表现出了不寻常的“V型”超导相图。我们的这些发现直观地呈现了ZnSiP2中的结构-性质关系,这不仅为优化其光学和电学性质提供了重要线索,而且为利用压力在不同功能属性之间进行转换提供了新的途径。  

文章链接:https://doi.org/10.1038/s41427-021-00285-0  


    
图1. ZnSiP2高压下的相图