离子液体广泛用于控制量子材料的结构和性质，可通过载流子浓度、H⁺和O^2-注入和析出、大尺寸有机阳离子插层等方式调控材料的物理特性。最近，清华大学物理系周树云研究组及合作者发展了一种基于离子液体的新调控手段：通过离子液体门控方法，将层状过渡金属二硫族化合物（TMDCs，化学式为MX₂，其中M为过渡金属，X为S、Se、Te）中被离子液体溶解的过渡金属插入到TMDCs的范德华间隙中，从而形成三维过渡金属单硫族化合物（TMMCs，化学式为MX）。利用这一调控方法在PdTe₂和NiTe₂中成功实现了过渡金属的自插层，并将其转化为高质量的PdTe和NiTe单晶，且PdTe在4.3 K呈现了超导电性。研究工作以 Ionic liquid gating induced self-intercalation of transition metal chalcogenides为题发表在Nature Communications期刊上。

       离子液体广泛用于调控材料的物理特性，利用不同的调控方式可获得新的物理特性，主要包括：（1）通过静电门电压调控电子浓度；（2）插入或析出H⁺和O^2-；（3）大尺寸有机阳离子的插入。新发现的离子液体诱导的自插层调控手段，进一步丰富了二维层状材料的调控手段，并为三维过渡金属单硫族化合物提供了一种新的制备方法。

       PdTe₂和NiTe₂ 是第二类狄拉克半金属的模型材料。得益于高质量的单晶样品，该体系的物理特性已被广泛研究。然而，它们的单硫族对应物（PdTe和NiTe）由于具有较大的形成能，导致单晶样品较难获得，并且生长的样品通常往往混杂有Te单质。虽然理论预测了PdTe和NiTe 具有超导、磁性等性质，然而由于缺乏高质量的样品，使得其相关研究难以开展。因此，获得高质量的TMMCs单晶样品将为探索这些材料的新奇物性提供基础。

图1：离子液体诱导的自插层。a. 自插层过程示意图。箭头表示金属阳离子（Pd⁴⁺/Ni⁴⁺）的移动和插入过程。b. PdTe₂ (NiTe₂)的原子结构示意图。c. PdTe (NiTe)原子结构示意图。

       周树云研究组及合作者另辟蹊径，发展了离子液体诱导自插层的方法（图1），在TMDCs中成功实现了过渡金属阳离子的自插层，从而得到了TMMCs单晶。结合拉曼测量和扫描透射电子显微镜（STEM），他们揭示了层状PdTe₂ (图2a)范德华间隙中Pd离子的成功插入并形成了三维的PdTe单晶（图2b）。这种从二维“三明治”结构转化为三维 “zigzag”结构的转变，导致其物性也发生了显著变化。相比于PdTe₂，插层后的样品在4.3 K以下呈现出超导电性，理论计算结果表明其超导转变来源于自插层后费米能级附近电子态密度的增加及其电声耦合的增强。此外这种离子液体诱导自插层的方法对NiTe₂同样有效。理论计算结果表明，这种方法有望推广到其它TMDCs材料。这项研究工作通过离子液体门控驱动的自插层为TMMCs的合成提供了一条途径，同时丰富了离子液体门控方法在调控材料结构和性质方面的应用。

图2：PdTe₂中自插层诱导的新奇物性。a.插层前的PdTe₂ 的STEM图像。b.插层后形成的PdTe 的STEM图像，红色箭头标明插层的Pd离子。c. PdTe₂和PdTe的温度依赖性电阻测量。

       清华大学物理系周树云教授、于浦教授以及清华大学深圳国际研究生院李佳副教授为该论文的共同通讯作者，清华大学物理系博士生王飞、清华大学“水木学者”张扬和清华大学深圳国际研究生院博士生王志杰为该文章的共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金委基础科学中心、科学技术部和国家自然科学基金委项目的支持。

       全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40591-5