黑磷高壓調(diào)控的三維狄拉克半金屬研究獲進(jìn)展

　　近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所物質(zhì)計(jì)算科學(xué)研究室研究員鄒良劍與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陳仙輝研究團(tuán)隊(duì)以及香港大學(xué)教授沈順清合作，在靜水壓調(diào)控塊體黑磷的電子結(jié)構(gòu)研究方面取得新進(jìn)展，證明壓力下黑磷可以從半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變成狄拉克半金屬，相關(guān)研究結(jié)果最近發(fā)表在《物理評論B》上【Physical Review B 93, 195434 (2016)】。

　　二維晶體材料因其優(yōu)越的電氣特性，成為半導(dǎo)體材料研究的新方向。復(fù)旦大學(xué)和中國科大課題組在制備的高質(zhì)量的多層黑磷的基礎(chǔ)上制備了新型場效應(yīng)晶體管器件【Nature Nano，2014】，有可能替代硅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(zhì)量的樣品上發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)【Nature Nano，2016】現(xiàn)象；同時(shí)，尋找三維的狄拉克（Dirac）半金屬材料也是近年來的熱點(diǎn)目標(biāo)。

　　此前，中國科大教授陳仙輝與復(fù)旦大學(xué)教授張遠(yuǎn)波、固體所研究員鄒良劍等研究團(tuán)隊(duì)合作報(bào)道在高壓下發(fā)現(xiàn)了反常的Subnikov-de Haas振蕩現(xiàn)象，暗示存在Berry相；靜水壓可以導(dǎo)致塊體黑磷從半導(dǎo)體到半金屬的Lifshitz轉(zhuǎn)變，說明壓力是調(diào)控塊體黑磷電子結(jié)構(gòu)的一種有效方式【Physical Review Letter 115, 186403 (2015)】，但是實(shí)驗(yàn)上很難確定高壓下黑磷晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的演化過程。

　　為了深刻理解壓力對黑磷的物性調(diào)控機(jī)制，研究人員結(jié)合多種第一性原理的計(jì)算方法，確定了高壓下塊體黑磷晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的演化過程。電子結(jié)構(gòu)隨壓強(qiáng)的演化如圖1所示，結(jié)果表明，在臨界壓強(qiáng)Pc~1.23 GPa，在布里淵區(qū)Z點(diǎn)發(fā)生了導(dǎo)帶和價(jià)帶的接觸現(xiàn)象，并且在該點(diǎn)出現(xiàn)一個(gè)四重簡并的狄拉克錐，說明黑磷發(fā)生了從半導(dǎo)體到三維狄拉克半金屬的轉(zhuǎn)變，此時(shí)黑磷演變成三維狄拉克半金屬。隨著壓強(qiáng)進(jìn)一步增加，Z點(diǎn)附近的能帶發(fā)生交叉和反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，如圖2所示狄拉克錐沿著Γ-Ζ方向移動(dòng)形成兩個(gè)大的空穴型費(fèi)米波包，沿著Γ-Μ方向移動(dòng)形成兩個(gè)微小的電子型費(fèi)米波包以及四個(gè)大的電子型費(fèi)米波包，演變成如圖3所示的狄拉克半金屬。根據(jù)理論分析表明，這種從半導(dǎo)體到三維狄拉克半金屬的Lifshitz相變是由晶體的非點(diǎn)式空間群的對稱性保護(hù)而穩(wěn)定存在的。同時(shí)研究人員還預(yù)測了塊體黑磷體系在不同壓強(qiáng)下具有很強(qiáng)各向異性的載流子有效質(zhì)量和費(fèi)米速度的變化。

　　塊體黑磷在較低靜水壓下展現(xiàn)出壓力可調(diào)的奇異電子性質(zhì)，預(yù)示著它在光電和電子器件領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　上述研究得到了國家自然科學(xué)基金面上和重點(diǎn)項(xiàng)目等的資助。