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黑磷高压调控的三维狄拉克半金属研究获进展

2016.6.23

　　近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所物质计算科学研究室研究员邹良剑与中国科学技术大学教授陈仙辉研究团队以及香港大学教授沈顺清合作，在静水压调控块体黑磷的电子结构研究方面取得新进展，证明压力下黑磷可以从半导体转变成狄拉克半金属，相关研究结果最近发表在《物理评论B》上【Physical Review B 93, 195434 (2016)】。

　　二维晶体材料因其优越的电气特性，成为半导体材料研究的新方向。复旦大学和中国科大课题组在制备的高质量的多层黑磷的基础上制备了新型场效应晶体管器件【Nature Nano，2014】，有可能替代硅成为新型电子线路和光电器件的基本材料，而且还在更高质量的样品上发现了量子霍尔效应【Nature Nano，2016】现象；同时，寻找三维的狄拉克（Dirac）半金属材料也是近年来的热点目标。

　　此前，中国科大教授陈仙辉与复旦大学教授张远波、固体所研究员邹良剑等研究团队合作报道在高压下发现了反常的Subnikov-de Haas振荡现象，暗示存在Berry相；静水压可以导致块体黑磷从半导体到半金属的Lifshitz转变，说明压力是调控块体黑磷电子结构的一种有效方式【Physical Review Letter 115, 186403 (2015)】，但是实验上很难确定高压下黑磷晶体结构和电子结构的演化过程。

　　为了深刻理解压力对黑磷的物性调控机制，研究人员结合多种第一性原理的计算方法，确定了高压下块体黑磷晶体结构和电子结构的演化过程。电子结构随压强的演化如图1所示，结果表明，在临界压强Pc~1.23 GPa，在布里渊区Z点发生了导带和价带的接触现象，并且在该点出现一个四重简并的狄拉克锥，说明黑磷发生了从半导体到三维狄拉克半金属的转变，此时黑磷演变成三维狄拉克半金属。随着压强进一步增加，Z点附近的能带发生交叉和反转现象，如图2所示狄拉克锥沿着Γ-Ζ方向移动形成两个大的空穴型费米波包，沿着Γ-Μ方向移动形成两个微小的电子型费米波包以及四个大的电子型费米波包，演变成如图3所示的狄拉克半金属。根据理论分析表明，这种从半导体到三维狄拉克半金属的Lifshitz相变是由晶体的非点式空间群的对称性保护而稳定存在的。同时研究人员还预测了块体黑磷体系在不同压强下具有很强各向异性的载流子有效质量和费米速度的变化。

　　块体黑磷在较低静水压下展现出压力可调的奇异电子性质，预示着它在光电和电子器件领域具有广泛的应用前景。

　　上述研究得到了国家自然科学基金面上和重点项目等的资助。