今次研究由城大化學系胡曉明講座教授（納米材料）張華教授與新加坡南洋理工大學/材料研究與工程研究院的Kedar Hippalgaonkar博士聯合領導。該研究成果已刊載于學術期刊《Nature Materials》上，題為〈Metastable 1T′-phase group VIB transition metal dichalcogenide crystals〉。

 

由于上述TMDs屬亞穩相材料，意味著它們并非處于熱力學上最穩定的狀態，故其晶體結構復雜兼有多種變化，具有多種不同的“晶相（結構）”，使科學家們在研究時屢遇困難。因為無論在自然界還是實驗室里，這類TMD材料都經常以混合物形態出現，即不同的晶相結構混雜其中，有欠純正，極不利于對其本征的物理化學性質進行科學研究。來自世界各地的科學家們曾針對此類TMD材料的合成嘗試過不同的合成方法，包括化學/電化學堿金屬離子插層、膠體合成、水熱合成、電子束輻照、機械應變、等離子體熱電子或化學氣相沉積等技術，除了制成品往往質素欠佳之外，其產量亦遠不足應付需求。

 

在今次研究中，研究團隊經過持續不懈的努力，終于找到了突破前人的創新方法，成功地解決上述的制備困難。突破的關鍵是團隊在以往的研究積累中發現了一類特殊的“前驅體（precursor）”，它們在合成非常規1T′相TMD材料的“氣固相反應”（gas-solid reaction）中，起到至關重要的作用，但制造該類前驅體極其不易。團隊經多番嘗試后，最終采用真空密閉的“安瓿管（密封無縫石英管）”作為實驗原材料的反應容器，終于在高溫環境下成功地制備出一系列重要的“前驅體”。研究人員繼而使用該類前驅體于H₂和Ar混合氛圍下進行氣固相反應，最終高效且大量地合成了六種具有高質量和高純度的非常規1T′相TMD晶體。

 

研究人員在得到這些高質且高純的TMD晶體后，利用先進的“單晶Ｘ射線衍散技術”對其進行了詳細檢測，成功地解析出WS₂、WSe₂、MoS₂和MoSe₂這四種“非常規1T′相TMD”的詳細單晶晶體結構，揭開了其神秘面紗。該項合成技術的突破，料有助于其在材料科學、晶體學、物理學及化學等領域的進一步研究。

 

在研究過程中，研究人員亦對合成的非常規1T′相WS₂（二硫化鎢）材料進行了超導性測試，結果不單確認它是卓越的超導體，還發現它的“超導轉變溫度”與其厚度具有很強的關聯性。實驗結果顯示：當材料厚度為90.1納米時，超導轉變溫度為8.6K；但當材料變薄至“單層（原子）”厚度時，超導轉變溫度會降至5.7K。“這說明它是一種典型的二維超導體，是到目前為止基于TMD材料的最好超導體之一。”張教授說。

本次研究的通訊作者是張華教授和Hippalgaonkar博士。第一作者分別是城大化學系博士后研究員賴壯釵博士、材料科學及工程學系助理教授何其遠博士、新加坡南洋理工大學Thu Ha Tran女士及新加坡材料研究與工程研究院D. V. Maheswar Repaka博士。團隊亦包括其余21位來自8所大學及研究機構的研究人員。