In een studie gepubliceerd in Geavanceerde wetenschap, onderzoekers onder leiding van prof. Zhong Guohua van het Shenzhen Institute of Advanced Technologie (SIAT) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) hebben een voorspelling gedaan met betrekking tot supergeleiding boven 100 K binnen koolstofkooinetwerken.
Door gebruik te maken van berekeningen op basis van de eerste beginselen, vervaardigden ze carbiden met de structurele kenmerken van koolstofkooinetwerken, waardoor een robuuste elektron-fononkoppeling werd bereikt en de supergeleidende overgangstemperaturen van conventionele carbiden zoals diamant, grafeen, koolstofnanobuisjes en fullereen werden overtroffen.
De laatste tijd is er sprake van een enorme belangstelling voor supergeleiding in lichtgewicht elementaire verbindingen, vooral in de context van supergeleiding bij hoge temperatuur bij omgevingsdruk. Koolstofmaterialen worden, als representatieve lichtgewicht elementaire verbindingen, beschouwd als de hoeksteen van toekomstige materialen.
Hoewel supergeleiding is gedetecteerd in bepaalde op koolstof gebaseerde materialen, waaronder diamant, grafeen, koolstofnanobuisjes en fullereen, zijn de supergeleidende overgangstemperaturen (Tc) blijven onder het kritische punt van 77 K, het kookpunt van vloeibare stikstof.
Om de ontwikkeling van supergeleiders van koolstofmateriaal met verhoogde Tcbedachten onderzoekers twee nieuwe koolstofstructuren met kooiachtige netwerken. Ze onderzochten nauwgezet hun supergeleiding door metalen doteermiddelen te introduceren. Deze kooi-eenheden, C24 en C32, zijn met elkaar verbonden via gedeelde oppervlakken om kristalstructuren te creëren.
Berekeningen met hoge doorvoer hebben geanticipeerd dat deze kooiachtige netwerkstructuren supergeleiding bij hoge temperaturen kunnen vertonen onder omgevingsdruk wanneer ze zijn gedoteerd met metalen. Met name C24 kooinetwerkkristallen gedoteerd met Na-, Mg-, Al-, In- en Tl-metalen vertoonden supergeleiding bij hoge temperaturen van meer dan 100 K. Dit presteerde niet alleen beter dan de Tc van gewone koolstofmaterialen zoals diamant, grafeen, koolstofnanobuisjes en fullereen, maar overtrof ook ruimschoots het kookpunt van vloeibare stikstof.
Bovendien onthulden onderzoekers dat de koppeling van kooistructuren een cruciale rol speelt, wat resulteert in sterkere elektron-fonon-interacties vergeleken met andere koolstofmaterialen en leidt tot hogere Tc. Ze ontdekten dat de supergeleiding van carbiden met kooinetwerken sterk afhankelijk is van de elektronegativiteit en dopingconcentratie van de geïntroduceerde metalen. Zwakkere elektronegativiteit en hogere dopingconcentraties hebben de neiging hogere T op te leverenc waarden.
“Onze bevindingen bieden een veelbelovende manier voor de ontwikkeling van high-Tc supergeleiders. We verwachten dat dit werk experimentele en theoretische onderzoeken naar hoge-temperatuur-supergeleiders op basis van carbiden zal inspireren”, aldus prof. Zhong.