何亮 王浩 馮海奎 耿春杰 王紅宇

摘 要：在科學(xué)研究的幾十年內(nèi)，過渡族金屬硫?qū)倩衔镆蚓邆湄S富的物理化學(xué)特性而被各類人員廣泛研究。而二碲化鎢作為其中的一員，2014年因Mazhar N. Ali報(bào)道了二碲化鎢其優(yōu)異的磁電阻效應(yīng)，而迅速成為國際研究熱點(diǎn)。獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)被廣大科研人員爭(zhēng)相研究，并通過各自特有的方式探尋其潛在的物理機(jī)制，但最終的理論支持也未得到充分的同意認(rèn)定。而本文將闡述近幾年國內(nèi)外二碲化鎢研究進(jìn)展，并結(jié)合理論數(shù)據(jù)從微觀電子-空穴補(bǔ)償?shù)任锢頇C(jī)理方面討論二碲化鎢與巨大的磁電阻之間的相互關(guān)系。再對(duì)二碲化鎢在拓?fù)湎嘧?、超?dǎo)、光學(xué)研究的意義進(jìn)行簡(jiǎn)單的討論。

關(guān)鍵詞：過渡族金屬硫?qū)倩衔?二碲化鎢

1.二碲化鎢結(jié)構(gòu)

過渡族金屬硫?qū)倩衔镏?，化合物晶體結(jié)構(gòu)以層狀居多，并借此特殊的結(jié)構(gòu)特性而具備豐富的物理化學(xué)特性。在催化領(lǐng)域、電荷密度和超導(dǎo)研究被廣泛關(guān)注[1]。而二碲化鎢又具備化合物層狀結(jié)構(gòu)特性，它的化學(xué)式為WTe2，但它又有別于其它過渡族金屬硫?qū)倩衔铮蚱渚w結(jié)構(gòu)中包含一個(gè)額外晶格畸變，沿著晶胞結(jié)構(gòu)的a軸規(guī)則排列的W原子層位于兩層Te原子面的中間。以這種獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)為單元再從c軸上重疊起來[2，3]。

二碲化鎢與過渡族金屬硫?qū)倩衔镏芯w層之間同樣是由范德華力連接，不同之處在于具備最大的層間距。大多數(shù)過渡族金屬硫?qū)倩锞哂辛蔷w結(jié)構(gòu)，對(duì)于二碲化鎢的特殊結(jié)構(gòu)可能會(huì)由六角晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)檎痪w結(jié)構(gòu)，因此形成的二碲化鎢晶胞內(nèi)鍵長有2.7 A至2.8不等[1]。

2.1二碲化鎢的性質(zhì)

二碲化鎢因在結(jié)構(gòu)上具有大層間距，正交晶體結(jié)構(gòu)以及半金屬的能帶結(jié)構(gòu)使之成為過渡族金屬硫?qū)倩镏刑亓ⅹ?dú)行的一員，期待它能表現(xiàn)出與其他過渡族金屬硫化物不同的物理化學(xué)特性[3]。

2.2二碲化鎢的巨大磁電阻

將通有電流的金屬或半導(dǎo)體材料放入磁場(chǎng)環(huán)境下，其電阻值將發(fā)生明顯改變，這種現(xiàn)象稱為磁電阻效應(yīng)。磁電阻是凝聚態(tài)物理中一種重要的現(xiàn)象。在2014年發(fā)現(xiàn)二碲化鎢具有特殊的磁電阻效應(yīng)，較簡(jiǎn)單金屬而言，磁電阻非常小，在低應(yīng)力場(chǎng)表現(xiàn)出二次依懶性，并在高應(yīng)力場(chǎng)下表現(xiàn)出飽和狀態(tài)。與此相反的是，發(fā)現(xiàn)層狀過渡金屬硫?qū)倩衔锒诨u的巨磁電阻效應(yīng)，當(dāng)電流從a軸和c軸施加磁場(chǎng)時(shí)，在4.5K時(shí)，14.7T的非飽合性磁電阻效應(yīng)為4.5×105%。更讓人意外的是，在0.53K條件下，在60T時(shí)，它增加到1.3×107%，沒有任何飽和跡象。二碲化鎢的獨(dú)特性質(zhì)使得在過渡族金屬硫?qū)倩衔镎嫉靡幌?，非飽和性磁電阻效?yīng)在低溫高靈敏度的傳感器件上有著巨大潛力，這也是目前為止，知道的唯一電子-空穴補(bǔ)償完美平衡的體系，也是唯一的非飽和磁電阻材料。

同年，P. L. Cai等人[2]進(jìn)一步證實(shí)這個(gè)觀點(diǎn)，并對(duì)不同壓力值對(duì)磁電阻效應(yīng)展開了研究。如圖二所示[2]，他們猜測(cè)二碲化鎢的非飽和磁性電阻效應(yīng)與微觀結(jié)構(gòu)的電子和空穴之間的相互遷移有關(guān)。并發(fā)現(xiàn)在0.3K時(shí)二碲化鎢的磁電阻效應(yīng)震蕩尤為劇烈。因此，引入了壓力作為摻量，進(jìn)而觀測(cè)電子空穴分布的完美平衡。通過對(duì)二碲化鎢不斷施加壓力，觀測(cè)到對(duì)非飽和性磁電組效應(yīng)的抑制作用。證明了在二碲化鎢中電子和空穴分布之間完美平衡對(duì)非飽和性磁電阻效應(yīng)的重要性[2]。

雖然大多數(shù)已有的研究成果都成為了二碲化鎢的極大磁阻效應(yīng)電子-空穴分布之間的完美平衡機(jī)制的證實(shí)數(shù)據(jù)，但也有不少研究成果表明電子-空穴分布之間的完美平衡機(jī)制并非是引起二碲化鎢極大磁阻效應(yīng)的唯一物理機(jī)制。通過雙能帶理論利用一個(gè)電解質(zhì)門控來調(diào)節(jié)空穴和電子的絕對(duì)密度及相對(duì)密度，通過測(cè)量不同空穴-電子相對(duì)密度下的磁阻電阻率發(fā)現(xiàn)了在14 T的磁場(chǎng)強(qiáng)度下仍未飽和，而根據(jù)雙能帶模型此時(shí)理應(yīng)飽和，因此他們認(rèn)為電子-空穴的分布平衡機(jī)制并非是引起二碲化鎢極大磁阻的物理機(jī)制，應(yīng)該還需考慮其他存在的物理機(jī)制。

綜上，二碲化鎢因其獨(dú)特的非飽和性磁電阻效應(yīng)可被應(yīng)用于電子元器件、信息存儲(chǔ)、磁性傳感器等，具備非常豐富的市場(chǎng)應(yīng)用前景。優(yōu)異的磁電阻效應(yīng)又可以在未來的壓力傳感器下獨(dú)占鰲頭。并且具有體積、靈敏度、探測(cè)范圍有著不可抗力的優(yōu)勢(shì)。二碲化鎢作為過渡族金屬硫?qū)倩衔镏械囊粏T，所具備得層狀結(jié)構(gòu)，單晶二碲化鎢容易剝離。也會(huì)為它擠進(jìn)未來納米薄膜、納米結(jié)構(gòu)器件提供了有力基礎(chǔ)。

2.3二碲化鎢高壓超導(dǎo)性

超導(dǎo)材料在超導(dǎo)態(tài)時(shí)沒有電阻，無損地傳輸電能，被科研人員密切關(guān)注。絕大多數(shù)的過渡族金屬硫?qū)倩衔锿ㄟ^摻雜、加壓使晶格發(fā)生畸變?cè)诘蜏叵露季邆涑瑢?dǎo)特性[2，4]?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)研究表明，通過對(duì)二碲化鎢的加壓其巨大的磁電阻效應(yīng)被不斷抑制。2015年Xing-Chen Pan等人[4]，首次報(bào)道了關(guān)于高壓誘導(dǎo)二碲化鎢超導(dǎo)性，對(duì)二碲化鎢的不斷加壓，從2.5Gpa開始非飽和性磁電阻效應(yīng)不斷被抑制，首次出現(xiàn)了二碲化鎢的超導(dǎo)性。當(dāng)加壓至16.8Gpa超導(dǎo)臨界溫度不增反降，通過新增的額外費(fèi)米面推測(cè)是壓力過高導(dǎo)致二碲化鎢結(jié)構(gòu)遭受到破壞而無法維持穩(wěn)定相變[4]。證明了壓力對(duì)電子-空穴分布完美平衡有著促進(jìn)作用。

2.4二碲化鎢光學(xué)性質(zhì)

除了理論計(jì)算二碲化鎢的電子結(jié)構(gòu)外，而光學(xué)性質(zhì)也是間接反映二碲化鎢的電子結(jié)構(gòu)。雖然關(guān)于二碲化鎢已有較多研究成果，但光學(xué)性質(zhì)方面卻鮮有報(bào)道。2016年，Y. C. Jiang等人報(bào)道了與聲子對(duì)應(yīng)的6個(gè)拉曼峰的觀測(cè)。這為區(qū)分二碲化鎢空間群和其他過渡族金屬硫?qū)倩衔锟臻g群提供了最直接的證據(jù)。還對(duì)二碲化鎢從塊體到單層的拉曼演示過程進(jìn)行了描述。

引入拉曼光譜技術(shù)對(duì)研究在不同壓強(qiáng)下的二碲化鎢的光學(xué)特性有著重要作用。不僅可以豐富二碲化鎢與的光學(xué)性質(zhì)有關(guān)的研究，而且也可以在探索壓強(qiáng)對(duì)二碲化鎢電子結(jié)構(gòu)的影響方式上有一個(gè)更全面的認(rèn)識(shí)。

3. ?總結(jié)

二碲化鎢因具備特殊的正交晶體結(jié)構(gòu)和鍵長，在過渡族金屬硫?qū)倩衔镏斜憩F(xiàn)出其獨(dú)特的磁電阻效應(yīng)，在壓力作用下又表現(xiàn)出超導(dǎo)特性。研究成果主要支持電子載流子密度和空穴載流子密度的完美補(bǔ)償機(jī)制，但也有從自旋軌道耦合的物理機(jī)制來反應(yīng)，有從電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性的聲子譜來提出電子耦合來反應(yīng)并非自旋聲子耦合。綜上所述可知，引起二碲化鎢極大磁阻的物理機(jī)制仍不清楚，因此還需要更多相關(guān)的研究對(duì)該問題進(jìn)行討論?？偟膩碚f，在壓強(qiáng)既會(huì)對(duì)二碲化鎢的能帶結(jié)構(gòu)有較大的影響，并相應(yīng)地影響到對(duì)二碲化鎢附近的費(fèi)米能帶。據(jù)此本文推斷壓強(qiáng)可能是通過影響二碲化鎢費(fèi)米能附近的能帶來影的極大磁阻效應(yīng)的。

參考文獻(xiàn)：

[1]Hartree D R. The wave mechanics of an atom with a non-Coulomb central field. Part I. Theory and methods[C]//Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. Cambridge University Press， 1928， 24（1）： 89-110.

[2]Cai P L， Hu J， He L P， et al. Drastic pressure effect on the extremely large magnetoresistance in WTe 2： quantum oscillation study[J]. Physical review letters， 2015， 115（5）： 057202.

[3]Jiang Y C， Gao J， Wang L. Raman fingerprint for semi-metal WTe 2 evolving from bulk to monolayer[J]. Scientific reports， 2016， 6： 19624.

[4]Zhou Y， Chen X， Li N， et al. Pressure-induced Td to 1T′ structural phase transition in WTe2[J]. Aip Advances， 2016， 6（7）： 075008.

本論文受吉林建筑大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目資助

項(xiàng)目編號(hào)：201910191048