[論文レビュー] Pressure-induced superconductivity in the van der Waals semiconductor violet phosphorus

Y. Y. Wu, Lan Mu+11 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2023

2D Materials and Applications被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ヴァン・デル・ワールス半導体であるバイオレットホスファルス（VP）において、圧力誘発超伝導が報告された。臨界温度（Tc）は2.75 GPaの単斜晶（M）相で4.3 Kに達し、8.5 GPaでのM相からR相への構造的転移の前である。TcはM-R転移を経て約7 Kに上昇し、15 GPaを超えると単純立方晶（C）相に移行して約10 Kに急激に上昇する。これはブラックホスファルスとは異なり、明確に異なる超伝導相図を示しており、量子およびオプトエレクトロニクス応用に向けた電子的特性のチューニング可能性を示している。

ABSTRACT

The van der Waals (vdW) semiconductor black phosphorus has been widely studied, especially after the discovery of phosphorene. On the contrary, its sister compound violet phosphorus, also a vdW semiconductor, has been rarely studied. Here we report the pressure-induced superconductivity in violet phosphorus up to $\sim$40 GPa. The superconductivity emerges at 2.75 GPa, which is well below the structural transition from monoclinic ($M$) to rhombohedral ($R$) structure at 8.5 GPa. The superconducting transition temperature ($T$$ m_c$) shows a plateau of $\sim$7 K from 3.6 to 15 GPa, across the $M$ to $R$ structural transition, then jumps to another plateau of $\sim$10 K in the simple cubic ($C$) structure above 15 GPa. The temperature-pressure superconducting phase diagram of violet phosphorus is established, which is different from that of black phosphorus at low pressure. For black phosphorus, the superconductivity emerges until the structural transition from orthorhombic ($O$) to $R$ structure at $\sim$5 GPa, with a lower $T$$ m_c$ than violet phosphorus. The pressure-induced superconductivity in violet phosphorus demonstrates its tunable electronic properties, and more electronics and optoelectronic applications are expected from this stable vdW semiconductor at ambient conditions.

研究の動機と目的

• バイオレットホスファルス（VP）—安定なヴァン・デル・ワールス半導体—における高圧下の電子的相転移を調査すること。
• 水圧下におけるVPの超伝導発現圧力および臨界温度（Tc）を特定すること。
• 特に構造的相転移と超伝導相転移の順序に注目し、VPとブラックホスファルス（BP）の超伝導相図を比較すること。
• 圧力下での電気抵抗およびフォトリュミニスセンス（PL）分光法を用いて、VPにおける超伝導状態を確認すること。
• VPにおける構造的相転移と超伝導挙動の関係を確立すること。

提案手法

• 単結晶VP試料を用い、立方体アンビルプレスおよびダイヤモンドアンビルセル（DAC）を用いて最大40.2 GPaまで高圧下電気抵抗測定を実施した。
• VPの光学的バンドギャップをプローブし、M-R構造的転移の前であることを確認するため、4.78 GPaまでフォトリュミニスセンス（PL）分光法を用いた。
• 圧縮前の後でのVPの結晶構造を確認するため、X線回折（XRD）パターンを収集し、M相、R相、C相の確認を行った。
• 圧力依存の抵抗率曲線における抵抗低下の開始点から、超伝導転移温度（Tc）を抽出した。
• PLピークエネルギーのシフトから、圧力下での光学的バンドギャップの圧力依存性を分析した。低圧域では-0.124 eV/GPaの係数を示した。
• Tcを圧力および構造的相（M、R、C）と関連付けることで、超伝導相図を構築した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水圧下におけるバイオレットホスファルスの超伝導は、どの圧力で発現するか？
• RQ2 VPにおけるM相からR相への構造的相転移およびR相からC相への相転移の過程で、超伝導臨界温度（Tc）はどのように変化するか？
• RQ3 ブラックホスファルスとは異なり、超伝導はM相で安定化するのか、構造的転移の前であるか？
• RQ4 高圧下におけるバイオレットホスファルスの超伝導相図は、ブラックホスファルスと比較してどのように異なるか？
• RQ5 圧力下における光学的バンドギャップと構造的相転移の関係は何か？

主な発見

• バイオレットホスファルスの超伝導は、8.5 GPaでのM相からR相への構造的転移の前である2.75 GPaの単斜晶（M）相で発現した。
• 超伝導臨界温度（Tc）は2.75 GPaで4.3 Kに達し、3.57〜12.2 GPaの範囲で約7 Kのプラトーを維持した。これはM-R相転移を含む。
• 17.1 GPaでTcはC相に移行して9.4 Kに上昇し、40.2 GPaまで約10 Kに飽和した。
• フォトリュミニスセンス測定により、VPは4.78 GPaまで半導体の性質を示した。バンドギャップは線形に-0.124 eV/GPaの割合で減少し、M相で超伝導が金属化よりも前に発現していることを確認した。
• バイオレットホスファルスの超伝導相図はブラックホスファルスとは明確に異なり、低圧域でより早く超伝導が発現し、Tcも高い。
• 本結果は、バイオレットホスファルスが圧力下でチューニング可能な電子的特性を示すことを示しており、高度なオプトエレクトロニクスおよび量子応用への可能性を示している。