提起二維材料，大家首先想到的就是和「21世紀學科—生物」並駕齊名的「21世紀明星材料—石墨烯」。在繼石墨烯之後，黑磷因有天然的帶隙，成為材料界的一匹黑馬。
我們知道，磷的同素異形體多種多樣，除了黑磷，還有另一種蜂巢格子的磷---單層藍磷。其結構跟石墨烯很類似。最近已經有實驗合成的報導。
然而，二維單層藍磷是個絕緣體，還是具有大帶隙的絕緣體，帶隙大於2個電子伏，不僅如此，還是間接帶隙。這麼多的因素似乎讓單層藍磷難以應用在電子領域。
但是，科學工作者有一百種方法改進材料。其中一種行之有效的方法就是氧化。石墨烯氧化物和黑磷氧化物都表現出了較好的物理化學性質。按照這個思路， 氧化藍磷也許可以調控藍磷的能帶結構啦。
第一篇系統研究藍磷氧化物的文章「Blue Phosphorene Oxide: Strain-Tunable Quantum Phase Transitionsand Novel 2D Emergent Fermions」 是由淮陰師範學院朱立硯老師研究組與新加坡科技大學的楊聲遠老師研究組合作完成，發表在Nano Letters。
首先，作者們通過第一性原理計算得到氧化藍磷（BPO）的結構如圖1中所示。聲子譜的結果沒有出現虛頻，說明氧化藍磷本身是動力學穩定的。
Figure1 | 單層氧化藍磷（BPO）的結構和聲子譜計算結果。
在平衡態，藍磷氧化物是一種直接帶隙半導體，帶隙還不到0.1電子伏（見圖2）。在低能範圍內存在3條能帶，1條不簡併的導帶和2條價帶在Gamma點簡併在一起。2條價帶的簡併性是由晶格對稱性中的三度旋轉保護的。
第一個發現是，當施加一個微小的正應力，氧化藍磷從傳統的直接帶隙半導體變成了由對稱性保護的二維對稱性保護的半金屬[symmetry-protected semimetal (SSM)]。需要注意的是，這樣的相變和一般的能帶交換不同，一般的能帶交換是有雜化的，在這裡，Gamma 點附近的能帶受對稱性保護，對應著兩個不同的二維不可約表示，這2個二維不可約表示是不能雜化的，這兩條能帶必然是在相變的同時直接交叉的。
Figure 2 | BPO的能帶結構和在strain下的改變。(a) -4% strain, (b) +0.6% strain, (c) +4% strain. (d) 給出了體系隨strain的相圖。有一個從半導體到對稱保護的半金屬的相變。
第二個發現是：在相變的臨界點， 在能帶交叉點附近出現了新型的費米子。這樣的費米子被作者稱做二維自旋-1 費米子。那麼大家會問，作者為什麼會起這樣的名字？這就要從長說起：在文章中，作者根據對稱性構建了低能kp模型，這個低能模型是這麼寫的：
這裡的自旋自由度並不是來自真正的電子自旋，因此稱為贗自旋。自旋為1 的費米子大部分出現在冷原子裡，最近在固體裡也有發現。這樣的自旋為1的費米子有著奇特的輸運性質，包括super Klein tunneling 和supercollimation效應，這樣獨特的性質可以使得藍磷氧化物在器件領域大有作為。
Figure 3 | （a）二維自旋-1 費米子的色散；（b）double Weyl point費米子的色散。
第三個發現是：在SSM相，體系的費米面是一個二維的double Weyl point。Weyl代表這個費米點是二度簡併，而double體現在色散是二次而不是線性的。這個double Weyl point導致了一個普適的（universal）光學吸收係數，即被吸收的光的功率與入射光的功率之比是一個不依賴於入射光頻率的普適常數πα，這裡α=1/137是精細結構常數。這個結果可以從低能有效模型解析得到，也同時被DFT計算直接驗證了（如圖3）
Figure4 | 光學吸收係數隨入射光頻率的變化。對SSM相（紅線），可以看到在0.4 eV一下出現平臺，其值正好對應普適常數πα。
值得一提的是，這些發現都由對稱性保護，因此，這些性質相當的具有魯棒性，可以廣泛應用於電子，光學和納米領域。
這個工作的作者有：朱立硯，王珊珊，管閃，劉影，張婷婷，陳貴斌，楊聲遠。
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http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.6b03208
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