具有高硬度和超导性的亚稳态 W3P 单晶的首次合成

最近，四川大学原子与分子物理研究所高压科学与技术实验室彭放教授团队，通过独特的高温高压合成技术首次生长出了亚稳相W₃P单晶。利用该技术，可以快速获得毫米级高质量W₃P大单晶，为其本征物性（结构、电输运及力学性能）研究提供了坚实的基础。相关研究成果于近日发表于“Inorganic Chemistry”杂（DOI: 10.1021/acs.inorgchem.3c02864）。该论文的第一作者为博士研究生向晓君，四川大学原子与分子物理研究所为论文的第一作者单位，论文的合作单位包括中国科学院物理研究所等。

高压作为重要的物理参量，可以和与温度和化学组分共同影响材料合成从而实现对材料的结构、磁、电及热力学性质的调控。相较于常压的一些合成手段，高温高压合成方法具有确保化学计量比、极大加快反应速率、获得大块致密样品等优点，可以截获一些常规手段难以生长的亚稳态材料单晶。例如W₃P自1965年被发现以来鲜有报道，这是由于亚稳相W₃P生成的同时也同意分解为W和WP，难以得到纯相的W₃P从而阻碍了对其本征性质的研究。

在本工作中，我们克服了传统单晶生长方法的缺点，利用独特的高温高压合成技术首次合成了亚稳态W₃P的单晶。我们对其结构、超导性质和力学性能进行了详细的实验和理论研究。最终确定W₃P的结构参数（空间群I-42m和晶胞参数a = b = 9.8100(9) Å，c = 4.8131(7) Å）。输运和磁性测试结果表明其为典型的第二类超导体且具有较大的上临界磁场4.35 T。此外，W₃P还展示优秀的力学性能，包括显著的渐近纳米压痕硬度22 GPa，是目前报道的最硬的过渡金属磷化物，有望成为特定的电子/高场应用的硬质超导体的良好候选材料。W₃P的出现扩大了我们对超导和高硬度材料的探索。同时，这一研究工作为W3P的内在物理化学性能（包括电、磁、机械或催化性能）提供了基础。

W₃P的纳米压痕硬度和电阻率随温度的变化关系

(a) W₃P的电阻率在不同磁场作用下随温度的变化。(b) 2.0 K时磁滞回线(M−H) 环。(c) 临界温度以下的M−H值。(d) 根据朗道模型拟合的上临界场μ₀Hc₂和下临界场μ₀Hc₁。