黑磷高壓調控的三維狄拉克半金屬研究獲進展

2021-01-15 中國科學院

　　近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所物質計算科學研究室研究員鄒良劍與中國科學技術大學教授陳仙輝研究團隊以及香港大學教授沈順清合作，在靜水壓調控塊體黑磷的電子結構研究方面取得新進展，證明壓力下黑磷可以從半導體轉變成狄拉克半金屬，相關研究結果最近發表在《物理評論B》上【Physical Review B 93, 195434 (2016)】。

　　二維晶體材料因其優越的電氣特性，成為半導體材料研究的新方向。復旦大學和中國科大課題組在製備的高質量的多層黑磷的基礎上製備了新型場效應電晶體器件【Nature Nano，2014】，有可能替代矽成為新型電子線路和光電器件的基本材料，而且還在更高質量的樣品上發現了量子霍爾效應【Nature Nano，2016】現象；同時，尋找三維的狄拉克（Dirac）半金屬材料也是近年來的熱點目標。

　　此前，中國科大教授陳仙輝與復旦大學教授張遠波、固體所研究員鄒良劍等研究團隊合作報導在高壓下發現了反常的Subnikov-de Haas振蕩現象，暗示存在Berry相；靜水壓可以導致塊體黑磷從半導體到半金屬的Lifshitz轉變，說明壓力是調控塊體黑磷電子結構的一種有效方式【Physical Review Letter 115, 186403 (2015)】，但是實驗上很難確定高壓下黑磷晶體結構和電子結構的演化過程。

　　為了深刻理解壓力對黑磷的物性調控機制，研究人員結合多種第一性原理的計算方法，確定了高壓下塊體黑磷晶體結構和電子結構的演化過程。電子結構隨壓強的演化如圖1所示，結果表明，在臨界壓強Pc~1.23 GPa，在布裡淵區Z點發生了導帶和價帶的接觸現象，並且在該點出現一個四重簡併的狄拉克錐，說明黑磷發生了從半導體到三維狄拉克半金屬的轉變，此時黑磷演變成三維狄拉克半金屬。隨著壓強進一步增加，Z點附近的能帶發生交叉和反轉現象，如圖2所示狄拉克錐沿著Γ-Ζ方向移動形成兩個大的空穴型費米波包，沿著Γ-Μ方向移動形成兩個微小的電子型費米波包以及四個大的電子型費米波包，演變成如圖3所示的狄拉克半金屬。根據理論分析表明，這種從半導體到三維狄拉克半金屬的Lifshitz相變是由晶體的非點式空間群的對稱性保護而穩定存在的。同時研究人員還預測了塊體黑磷體系在不同壓強下具有很強各向異性的載流子有效質量和費米速度的變化。

　　塊體黑磷在較低靜水壓下展現出壓力可調的奇異電子性質，預示著它在光電和電子器件領域具有廣泛的應用前景。

　　上述研究得到了國家自然科學基金面上和重點項目等的資助。

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圖1. 黑磷能帶結構隨靜水壓的演化

圖2. 黑磷費米面隨靜水壓演化圖

圖3. 靜水壓下黑磷的狄拉克錐分布示意圖

　　近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所物質計算科學研究室研究員鄒良劍與中國科學技術大學教授陳仙輝研究團隊以及香港大學教授沈順清合作，在靜水壓調控塊體黑磷的電子結構研究方面取得新進展，證明壓力下黑磷可以從半導體轉變成狄拉克半金屬，相關研究結果最近發表在《物理評論B》上【Physical Review B 93, 195434 (2016)】。
　　二維晶體材料因其優越的電氣特性，成為半導體材料研究的新方向。復旦大學和中國科大課題組在製備的高質量的多層黑磷的基礎上製備了新型場效應電晶體器件【Nature Nano，2014】，有可能替代矽成為新型電子線路和光電器件的基本材料，而且還在更高質量的樣品上發現了量子霍爾效應【Nature Nano，2016】現象；同時，尋找三維的狄拉克（Dirac）半金屬材料也是近年來的熱點目標。
　　此前，中國科大教授陳仙輝與復旦大學教授張遠波、固體所研究員鄒良劍等研究團隊合作報導在高壓下發現了反常的Subnikov-de Haas振蕩現象，暗示存在Berry相；靜水壓可以導致塊體黑磷從半導體到半金屬的Lifshitz轉變，說明壓力是調控塊體黑磷電子結構的一種有效方式【Physical Review Letter 115, 186403 (2015)】，但是實驗上很難確定高壓下黑磷晶體結構和電子結構的演化過程。
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　　塊體黑磷在較低靜水壓下展現出壓力可調的奇異電子性質，預示著它在光電和電子器件領域具有廣泛的應用前景。
　　上述研究得到了國家自然科學基金面上和重點項目等的資助。
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圖1. 黑磷能帶結構隨靜水壓的演化
 
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