搜索热:228 汽车
扫一扫 加微信
首页 > 新闻资讯 > 科技前沿 > 消息正文
首页 > 新闻资讯 > 科技前沿 > 消息正文
物理所等在黑磷单晶的高压研究中取得新进展
发布:haige__   时间:2018/10/9 23:04:55   阅读:180 
分享到新浪微博 分享到腾讯微博 分享到人人网 分享到 Google Reader 分享到百度搜藏分享到Twitter
黑磷是磷的一种同素异形体,常压下具有二维层状结构,是直接带隙半导体。自从2014年复旦大学教授张远波和中国科学技术大学教授陈仙辉等发现二维黑磷场效应晶体管表现出很高的载流子迁移率和良好的I-V特性,其作为新型的带隙可调的二维电子材料受到了广泛关注。同时,也激发了人们对黑磷单晶重新研究的兴趣,中国科学院物理研究所的多个课题组分别从不同角度对其开展了实验和理论的研究。早期的高压研究显示,黑磷在常压下具有正交结构(A17相),高压下会经历两个结构相变,分别在约5GPa和10GPa依次转变为菱方结构(A7相)和简单立方结构(SC),而且这两个高压相在低温下都出现超导电性。最近,人们利用活塞-圆筒压腔在2.5GPa的静水压范围内对黑磷单晶开展了详细研究,发现其在约1GPa还会发生Lifshiz转变,从半导体转变为具有非平庸贝里相位的拓扑半金属,磁电阻和霍尔电阻均表现出明显的量子振荡以及具有手性反常的负磁阻行为。然而,由于高压技术的限制,人们对A7和SC这两个高压相的磁电阻行为,尤其是在较好静水压下的内禀性质还缺乏系统的研究。

最近,中科院物理所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室EX6组博士孙建平、研究员程金光与凝聚态理论与材料计算重点实验室研究员向涛,联合美国德克萨斯大学奥斯汀分校博士李翔、教授周建十、John B. Goodenough、宁波大学博士高淼、日本东京大学教授Yoshiya Uwatoko等合作者,采用六面砧大腔体高压低温物性测量装置,在15GPa静水压、1.5 K最低温和9T磁场的综合极端环境下,对高质量的黑磷单晶开展了细致的高压下磁电输运性质测量,重现了黑磷丰富的高压相和电子物态,并详细表征了它们的磁电输运行为,为全面理解黑磷高压相的物理性质提供了重要信息。相关成果近日发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。

他们首先利用六面砧装置测试了黑磷单晶的室温电阻率随压力的依赖关系,如图1所示,电阻率在~1GPa、5GPa和10GPa表现出明显的反常,分别对应A17相的Lifshitz转变、A17-A7和A7-SC结构相变,与之前的高压研究结果吻合。然后,他们对不同的高压电子相开展了详细的磁电输运性质测量,如图2-5所示:当黑磷在A17相内经历Lifshtz转变后,零场电阻率表现为金属行为,且电阻率值随压力升高逐渐降低,当施加8.5T磁场后,低温电阻率呈半导体特征,在很大温区表现出巨大的正磁阻效应,在2GPa、1.5K、8.5T时MR高达4×105%,此外低温下还伴有明显的SdH量子振荡(图3),但是没有超导电性;然而,当黑磷在5GPa以上进入A7相之后,零场电阻率在低温3-5K出现超导电性(图5),同时仍然表现出很大的正磁阻效应,在5.5GPa、1.5K、8.5T时MR达到了~2×103%,具有如此大正磁阻的超导体是很少见的,非常值得深入研究;当黑磷在10GPa以上进入SC相以后,其电阻率表现出简单金属行为,超导转变温度逐渐升高,12GPa时达到最高的7.5K,然后随压力升高又逐渐降低,15GPa时降至5.8K(图5),正常态的正磁阻值也急剧减小到典型金属范围,1.5K、8.5T时MR ~20%。通过修正的Kohler模型对磁电阻数据进行拟合,发现A17相的载流子迁移率非常高(~104cm2V-1S-1),这可能是其具有巨大正磁阻的起源,在经历A7和SC相转变后迁移率逐步减小,同时对霍尔电阻率分析显示,有效载流子浓度逐步得到提升,但在A17和A7相中霍尔电阻随磁场均出现正负号变化(图4),表明黑磷在这两个相都具有补偿半金属特征。此外,通过第一性原理计算,他们还利用McMillian–Allen–Dynes公式很好地重现了简单立方相的超导转变温度。以上研究结果对全面理解黑磷单晶不同高压相的电子行为提供了重要参考信息。

该工作得到科技部重点研发计划(2018YFA0305700、2017YFA0302901)、国家自然科学基金委(11574377、11874400、11474331)、中科院B类先导专项(XDB07020100)和前沿重点项目(QYZDB-SSW-SLH013)的支持。

文章链接
 
图1. 黑磷单晶的结构相变与电阻的压力依赖关系。


    图2. (a) 黑磷单晶在不同压力(1-15GPa)和不同磁场(0T, 8.5T)下的电阻率随温度的依赖曲线;(b)归一化的磁电阻随温度的依赖关系;(c)黑磷的高压相在1.5K时的磁阻随磁场的变化关系。


图3. 黑磷单晶在A17相不同压力下的1.5K量子震荡数据。


图4. 黑磷单晶在1.5K不同压力下的霍尔电阻ρxy随磁场的依赖关系。


图5. (a)黑磷单晶的超导转变随压力的演化关系;(b)超导转变临界场随压力的变化关系。

来源:鲁班科学网
相关信息
   标题 相关频次
 一种液相合成制备黑磷的方法
 2
  “顽固的”通用电气公司科学家创造了新的节能材料
 1
  “网状的碳”是更快DNA测序的关键
 1
  “微梳理”有效提高碳纳米管性质
 1
  2015年新色谱柱及配件大盘点之超临界流体色谱法
 1
  3D打印在人体器官应用中的重大突破
 1
  MoS2纳米“三明治”提升充电电池性能
 1
  干货:铸件中六大常见缺陷的产生原因及防治方法
 1
 #电子材料#首次发现微磁区导电,有望扩展磁存储空间
 1
 #电子材料#物理学家在量子电子学领域迈出重要一步
 1
 #电子材料周报#超晶格设计实现多铁性特征
 1
 #电子材料周报#电子高速公路,想象你的电脑可以被卷起来
 1
 #电子材料周报#浸涂技术开发新型纤维状发光二极管
 1
 #电子材料周报#看电子如何在新材料中“旅行”
 1
 #电子材料周报#量子计算机运行速度逆天
 1
 #电子材料周报#石墨烯“蛾眼”
 1
 #电子材料周报#史无前例的超导石墨烯薄片
 1
 #电子材料周报#芯片超材料助力量子计算机发展
 1
 #电子材料周报#新型电池——钠离子电池
 1
 #电子材料周报#新型荧光材料,“看透”你的身体
 1
 #电子材料周报#有望实现光通路的硅基超材料
 1
 #电子材料周报#智能传感器,嘈杂中亦可听见声音
 1
 #电子材料周报#自愈传感器,“电子皮肤”不再遥远
 1
 ?材料的静电设计:一种全新的方法
 1
 ?对于碳的多事之秋,这是一种革命性的新材料——一种人人都用的起的超级过滤器
 1
 ?海水中管道腐蚀介绍
 1
 ?重要埋地管道腐蚀防护研讨会 赞助及商业合作机会
 1
 “狗鼻子”探测器:让警犬面临下岗
 1
 “国六标准”来了致使“汽油质量牌照”投放量锐减,液态石油中硫含量应声降低
 1
 “海龙11000”完成深海5630米试潜
 1
 “金属材料在线检测技术和检测设备”专题报道重磅推出
 1
 “康师傅”陷馊水油中遭“灭顶” 食品安全民生大计勿忽视
 1
 “双重性格”保护膜 让锂电池不被刺穿
 1
 “水”主沉浮——液态水结构之谜
 1
 “新视野”号拍到“天涯海角”照片
 1
 “中国天眼”能产生诺奖级别的科学成果吗?
 1
 “自带雨衣”的电磁屏蔽材料
 1
 《Nature》子刊:金属所科研人员发现马氏体相变致非晶化机制
 1
 《Science》重磅!在室温下观察到电子在石墨烯表面“冲浪”!
 1
 《腐蚀与防护》特别推出:缓蚀剂专题报道 ——报道生产更安全、更高效缓蚀剂的创新性行为
 1
 《理化检验-物理分册》带你去看Olympus BX53M/BXFM工业正置显微镜发布会
 1
 1+1=2?超声波设备+探头的组合性能如何测?
 1
 10月1日起食品生产不得使用“QS”标志 改为全面执行“SC”编码
 1
 13.7米毫米波射电望远镜:在世界屋脊描绘银河画卷
 1
 2015年新色谱柱及配件大盘点
 1
 2015年新色谱柱及配件大盘点之反相色谱法
 1
 2015年新色谱柱及配件大盘点之辅助设备
 1
 2015年新色谱柱及配件大盘点之离子色谱法
 1
 2015年新色谱柱及配件大盘点之亲水作用色谱法
 1
 2015年新色谱柱及配件大盘点之生物色谱法
 1