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)教授陳仙輝研究團隊以及香港大學(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，尋找三維的狄拉克（Dirac）半金屬材料也是近年來的熱點目標(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隊合作報道在高壓下發(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)】，但是實驗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)控機制，研究人員結(jié)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(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的演化過程。電子結(jié)構(gòu)隨壓強的演化如圖1所示，結(jié)果表明，在臨界壓強Pc~1.23 GPa，在布里淵區(qū)Z點發(fā)生了導(dǎo)帶和價帶的接觸現(xiàn)象，并且在該點出現(xiàn)一個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，此時黑磷演變成三維狄拉克半金屬。隨著壓強進(jìn)一步增加，Z點附近的能帶發(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(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式空間群的對稱性保護而穩(wěn)定存在的。同時研究人員還預(yù)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(zhì)量和費米速度的變化。
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)基金面上和重點項目等的資助。
圖1. 黑磷能帶結(jié)構(gòu)隨靜水壓的演化
