复旦大学课题组发现二维半导体材料黑磷层间范德瓦尔斯相互作用的应变调控和反常现象

“人们可以将不同二维材料，如同堆积木一样，一层一层地人工堆叠起来，形成范德瓦尔斯异质结。”自2004年石墨烯问世以来，层状材料引起广泛关注。范德瓦尔斯异质结是其中的关键点之一。分数量子霍尔效应、石墨烯中能隙的打开、非典型超导、可调控的莫特绝缘体、超长寿命莫尔激子……研究已知，在这些范德瓦尔斯异质结中存在许多新奇物理现象，这些现象都与层间相互作用有着紧密联系，由此，调控层间范德瓦尔斯相互作用显得尤具意义。

近日，复旦大学物理学系晏湖根教授课题组和吴骅教授课题组合作，首次在少层黑磷中展示了层间范德瓦尔斯相互作用的应变调控，并发现反常的应变依赖关系。6月4日，研究成果以《少层黑磷层间范德瓦尔斯相互作用的应变调控》(“Strain-tunable van der Waals interaction of few-layer black phosphorus”)为题在线发表于《自然·通讯》(Nature Communications)。

晏湖根教授课题组以少层黑磷作为研究体系，系统研究了2-10层黑磷的能带结构随面内应力之演化规律。研究结果表明，所有光学跃迁的峰位随应力呈线性变化，且峰位移动的速率呈现出明显的层数依赖及跃迁量子数依赖。层数越少，跃迁量子数越大，峰位移动的速率越小。与吴骅教授课题组第一性原理计算结果完全吻合。这种依赖关系与应力可调的层间范德瓦尔斯相互作用具有密切联系。紧束缚模型拟合结果显示，1%的双轴面内应变可以带来~10%的层间相互作用改变，表明面内应力可以非常有效地调控层间相互作用。

a: 实验示意图

b: 不同应变下的6层黑磷的红外消光谱，压缩应变表示为负值，拉伸应变为正值

c: 2-10层黑磷跃迁峰位随应变的移动速率，点为实验数据，线为紧束缚拟合曲线

值得一提的是，这一研究还发现了反直觉的现象，即面内拉伸的应力可以使层间相互作用减弱。在通常情况下，由于材料的泊松效应，面内的拉伸应力应该使层间距离减小，从而使层间相互作用增强。“这就像一根绳索，拉它时绳索会变细一点，从而绳索内部的摩擦力会增大，”晏湖根解释。据介绍，黑磷独特的面内褶皱晶体结构是其出现反常现象的原因。该研究工作可为应力调控二维材料及范德瓦尔斯异质结的层间相互作用奠定基础。

黑磷是近几年来关注的新型二维材料，具有独特的晶体结构和优异的物理性能。

与此同时，不论厚度如何变化，黑磷总是直接带隙半导体。由于层间范德瓦尔斯相互作用的影响，少层黑磷的导带和价带会被劈裂成多个子带。

与之对应，在光学吸收谱中可观测到多个吸收峰。这些吸收峰的劈裂间距可以直接反应出层间相互作用之强弱。

相较黑磷，在诸如过渡金属硫族化合物等其它二维材料中，由于其少层材料为间接带隙半导体，通过光谱手段直接反应层间范德瓦尔斯相互作用之强弱则非常困难。正因如此，少层黑磷能够提供理想平台以监测层间范德瓦尔斯相互作用。

“黑磷看似是一种简单的半导体，但它不时带给我们惊喜！”课题组成员黄申洋如是说。据悉，这项工作是继少层黑磷的详细能带表征和层数依赖的激子束缚能两项成果后，晏湖根课题组在黑磷研究中的另一项重要进展。

复旦大学物理学系教授晏湖根为该研究论文通讯作者，博士研究生黄申洋、博士后张国伟分别为第一和第二作者，教授吴骅和博士研究生范风人为实验结果提供了理论解释。相关工作得到国家自然科学基金委和科技部重点研发计划资助。

作者：姜澎
编辑：张鹏
责任编辑：樊丽萍

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