中國(guó)粉體網(wǎng)訊 黑磷是磷的一種同素異形體，常壓下具有二維層狀結(jié)構(gòu)，是直接帶隙半導(dǎo)體。自從2014年復(fù)旦大學(xué)教授張遠(yuǎn)波和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陳仙輝等發(fā)現(xiàn)二維黑磷場(chǎng)效應(yīng)晶體管表現(xiàn)出很高的載流子遷移率和良好的I-V特性，其作為新型的帶隙可調(diào)的二維電子材料受到了廣泛關(guān)注。同時(shí)，也激發(fā)了人們對(duì)黑磷單晶重新研究的興趣，中國(guó)科學(xué)院物理研究所的多個(gè)課題組分別從不同角度對(duì)其開展了實(shí)驗(yàn)和理論的研究。
早期的高壓研究顯示，黑磷在常壓下具有正交結(jié)構(gòu)（A17相），高壓下會(huì)經(jīng)歷兩個(gè)結(jié)構(gòu)相變，分別在約5GPa和10GPa依次轉(zhuǎn)變?yōu)榱夥浇Y(jié)構(gòu)（A7相）和簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)（SC），而且這兩個(gè)高壓相在低溫下都出現(xiàn)超導(dǎo)電性。最近，人們利用活塞-圓筒壓腔在2.5GPa的靜水壓范圍內(nèi)對(duì)黑磷單晶開展了詳細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)其在約1GPa還會(huì)發(fā)生Lifshiz轉(zhuǎn)變，從半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂蟹瞧接关惱锵辔坏耐負(fù)浒虢饘伲烹娮韬突魻栯娮杈憩F(xiàn)出明顯的量子振蕩以及具有手性反常的負(fù)磁阻行為。然而，由于高壓技術(shù)的限制，人們對(duì)A7和SC這兩個(gè)高壓相的磁電阻行為，尤其是在較好靜水壓下的內(nèi)稟性質(zhì)還缺乏系統(tǒng)的研究。
最近，中科院物理所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心極端條件物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室EX6組博士孫建平、研究員程金光與凝聚態(tài)理論與材料計(jì)算重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員向濤，聯(lián)合美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校博士李翔、教授周建十、John B. Goodenough、寧波大學(xué)博士高淼、日本東京大學(xué)教授Yoshiya Uwatoko等合作者，采用六面砧大腔體高壓低溫物性測(cè)量裝置，在15GPa靜水壓、1.5 K最低溫和9T磁場(chǎng)的綜合極端環(huán)境下，對(duì)高質(zhì)量的黑磷單晶開展了細(xì)致的高壓下磁電輸運(yùn)性質(zhì)測(cè)量，重現(xiàn)了黑磷豐富的高壓相和電子物態(tài)，并詳細(xì)表征了它們的磁電輸運(yùn)行為，為全面理解黑磷高壓相的物理性質(zhì)提供了重要信息。相關(guān)成果近日發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。
他們首先利用六面砧裝置測(cè)試了黑磷單晶的室溫電阻率隨壓力的依賴關(guān)系，如圖1所示，電阻率在~1GPa、5GPa和10GPa表現(xiàn)出明顯的反常，分別對(duì)應(yīng)A17相的Lifshitz轉(zhuǎn)變、A17-A7和A7-SC結(jié)構(gòu)相變，與之前的高壓研究結(jié)果吻合。
然后，他們對(duì)不同的高壓電子相開展了詳細(xì)的磁電輸運(yùn)性質(zhì)測(cè)量，如圖2-5所示：當(dāng)黑磷在A17相內(nèi)經(jīng)歷Lifshtz轉(zhuǎn)變后，零場(chǎng)電阻率表現(xiàn)為金屬行為，且電阻率值隨壓力升高逐漸降低，當(dāng)施加8.5T磁場(chǎng)后，低溫電阻率呈半導(dǎo)體特征，在很大溫區(qū)表現(xiàn)出巨大的正磁阻效應(yīng)，在2GPa、1.5K、8.5T時(shí)MR高達(dá)4×105%，此外低溫下還伴有明顯的SdH量子振蕩（圖3），但是沒有超導(dǎo)電性；然而，當(dāng)黑磷在5GPa以上進(jìn)入A7相之后，零場(chǎng)電阻率在低溫3-5K出現(xiàn)超導(dǎo)電性（圖5），同時(shí)仍然表現(xiàn)出很大的正磁阻效應(yīng)，在5.5GPa、1.5K、8.5T時(shí)MR達(dá)到了~2×103%，具有如此大正磁阻的超導(dǎo)體是很少見的，非常值得深入研究；當(dāng)黑磷在10GPa以上進(jìn)入SC相以后，其電阻率表現(xiàn)出簡(jiǎn)單金屬行為，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度逐漸升高，12GPa時(shí)達(dá)到最高的7.5K，然后隨壓力升高又逐漸降低，15GPa時(shí)降至5.8K（圖5），正常態(tài)的正磁阻值也急劇減小到典型金屬范圍，1.5K、8.5T時(shí)MR ~20%。通過修正的Kohler模型對(duì)磁電阻數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)A17相的載流子遷移率非常高（~104cm2V-1S-1），這可能是其具有巨大正磁阻的起源，在經(jīng)歷A7和SC相轉(zhuǎn)變后遷移率逐步減小，同時(shí)對(duì)霍爾電阻率分析顯示，有效載流子濃度逐步得到提升，但在A17和A7相中霍爾電阻隨磁場(chǎng)均出現(xiàn)正負(fù)號(hào)變化（圖4），表明黑磷在這兩個(gè)相都具有補(bǔ)償半金屬特征。
此外，通過第一性原理計(jì)算，他們還利用McMillian–Allen–Dynes公式很好地重現(xiàn)了簡(jiǎn)單立方相的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。以上研究結(jié)果對(duì)全面理解黑磷單晶不同高壓相的電子行為提供了重要參考信息。
該工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFA0305700、2017YFA0302901）、國(guó)家自然科學(xué)基金委（11574377、11874400、11474331)、中科院B類先導(dǎo)專項(xiàng)(XDB07020100)和前沿重點(diǎn)項(xiàng)目(QYZDB-SSW-SLH013)的支持。
圖1. 黑磷單晶的結(jié)構(gòu)相變與電阻的壓力依賴關(guān)系。
圖2. (a) 黑磷單晶在不同壓力（1-15GPa）和不同磁場(chǎng)(0T, 8.5T)下的電阻率隨溫度的依賴曲線；(b)歸一化的磁電阻隨溫度的依賴關(guān)系；(c)黑磷的高壓相在1.5K時(shí)的磁阻隨磁場(chǎng)的變化關(guān)系。
圖3. 黑磷單晶在A17相不同壓力下的1.5K量子震蕩數(shù)據(jù)。
圖4. 黑磷單晶在1.5K不同壓力下的霍爾電阻ρxy隨磁場(chǎng)的依賴關(guān)系。
圖5. (a)黑磷單晶的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變隨壓力的演化關(guān)系；(b)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變臨界場(chǎng)隨壓力的變化關(guān)系。
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
