二维金属可能表现出若干新奇的物理现象，但金属键的存在使得制备二维形态金属较为困难。一种有效的方法是在合适的衬底上沉积单原子金属层，但其往往出现褶皱，且无法避免由衬底带入的电荷和声子相互作用。另一种方式是构筑超晶格化合物稳定二维金属层。例如，在范德瓦尔斯超晶格超导体Ba₆Nb₁₁S₂₈中，绝缘层[Ba₃NbS₅]和二维超导层[NbS₂]交替堆垛，构成[NbS₂]基新超导体，但其超导临界温度(T_c)为0.8 K，低于二元化合物2H-NbS₂ 的T_c (6 K)。重要的是，Ba₆Nb₁₁S₂₈的[NbS₂]层展现出局部镜面对称破缺，表现出二维Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov态[Science 370, 231 (2020)]。

　　近期，爱彩彩票/北京凝聚态物理国家研究中心先进材料实验室A02组博士后陈旭（现就职于怀柔研究部HX-TS02组）在应天平特聘研究员、郭建刚研究员和陈小龙研究员指导下，与金士锋副研究员、杜世萱研究员及邓俊博士等合作，制备了含二维Pb的层状超导体[RO]_nPb (n=1, R=La-Nd; n=2, R=La-Er)。团队考虑到在碳族单层样品中，原子的起伏高度（δ）与金属衬底（MS）、半导体衬底（SS）所转移的电荷量和晶格失配度密切相关，见图1a-b。声子谱计算表明孤立的平面状和“褶皱状”单层Pb结构均不稳定，需借助结构插层的作用来稳定结构，见图1c-d。形成焓计算表明在二维Pb的层间插入[R₂O₂]²⁺和[Ca₂F₂]²⁺等结构单元后，所形成的化合物总能量满足结构稳定性判据，见图1e-f。图2a和b是实验合成的[RO]₂Pb和ROPb晶体结构示意图，前者空间群为I4/mmm，平面四配位的Pb构成二维[Pb]^2-层，与萤石型[R₂O₂]²⁺层沿c轴交替堆垛，[Pb]^2-沿c轴的层间距为7.1 Å。后者的空间群为P4/nmm，四面体配位的Pb构成“褶皱状”[Pb₂]^2-层，与[R₂O₂]²⁺层沿c轴交替堆垛，[Pb₂]^2-沿c轴的层间距为6.1 Å。密度泛函理论计算表明R₂O₂Pb的费米面由Γ和M点附近的准方形柱构成，呈现二维电子结构的特点，主要由Pb的6p电子贡献，如图2c所示。

　　团队进一步利用金刚石对顶砧测量了代表性体系Gd₂O₂Pb的电学性质，发现随着压力的升高，其反铁磁转变温度T_N逐渐升高，当压力大于10 GPa时，Gd₂O₂Pb出现超导电性，T_c为4 K，呈现出反铁磁与超导共存的现象，这与其晶格在10 GPa出现不连续变化相关，见图2d-f。同时，[RO]₂Pb的超导表现出准二维特征，其超导上临界场（8 T）比单质Pb的上临界场高两个数量级，载流子浓度（1×10²² cm^-3）为单质Pb的1/50。在压力小于50 GPa下，ROPb未出现超导电性，这可能与[Pb₂]^2-层的载流子浓度较低有关。本工作揭示了Pb在不同配位和维度的物性，为研究功能基元调控电与磁物性的关系提供了新思路。

　　以上进展以“Two-Dimensional Pb Square Nets from Bulk (RO)_nPb (R=Rare Earth Metals, n=1, 2)”发表在Journal of the American Chemical Society 145, 17435 (2023)。该工作得到了科技部重点研发计划、北京自然科学基金、国家自然科学基金重点项目、综合极端条件实验装置（SECUF）和北京同步辐射（BSRF）4W2高压线站的支持。

　　原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c05807

图1. (a-b) 碳族单层样品原子起伏高度（δ）与半导体衬底（SS）和金属衬底（MS）转移的电荷量（e^-）密切相关。(c) 两种构型的单层Pb声子谱。(d) 利用电荷转移稳定单层Pb的结构示意图。(e-f) La-O-Pb的相图，形成焓和总能量判据。

图2. (a-b) [RO]_nPb的晶体结构。(c) La₂O₂Pb的费米面。(d-f) 高压下Gd₂O₂Pb的超导临界转变，晶格常数变化和超导电子相图。