[논문 리뷰] Pressure-induced superconductivity in the van der Waals semiconductor violet phosphorus

Y. Y. Wu, Lan Mu외 11명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 06.

2D Materials and Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 반데르발스 반도체인 보라색 인(VP)에서 초임계압에 의한 초전도성의 발생을 보고한다. 임계온도(Tc)는 단일정방형(M) 상에서 2.75 GPa에서 4.3 K로 발생하며, 이는 8.5 GPa에서의 M-에서 R로의 구조 전이 이전이다. M-R 전이를 거치면서 Tc는 약 7 K로 증가하고, 15 GPa 이상의 단순입방형(C) 상에서는 약 10 K로 급격히 상승하여, 블랙 흑연과는 다를 바 있는 명확한 초전도 상도표를 확립한다. 이는 양자 및 옵티오일렉트로닉 응용 분야에서 전자적 성질을 조절 가능한 VP의 잠재력을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 보라색 인(VP), 즉 안정한 반데르발스 반도체에서 고압 조건에서의 전자 상 전이를 조사한다.
• 수소압 조건 하에서 VP의 초전도성 발생 압력 및 임계온도(Tc)를 규명한다.
• 특히 구조 전이와 초전도 전이의 순서를 고려할 때, VP의 초전도 상도표를 블랙 흑연(BP)과 비교한다.
• 압력 하에서 전기 저항 측정과 광발광(PL) 분광법을 통해 VP의 초전도 상태를 확인한다.
• VP에서의 구조 상 전이와 초전도 행동 간의 관계를 규명한다.

제안 방법

• 단일 결정 VP 시료를 이용해 최대 40.2 GPa까지 고압 전기 저항 측정을 실시하였으며, 이는 큐브 앤빌 프레스와 다이아몬드 앤빌 셀(DAC)를 사용하여 수행되었다.
• 압력에 따른 광학 금속 갭을 탐색하고 VP의 반도체 성질을 확인하기 위해 광발광(PL) 분광법을 사용하였으며, 이는 M-R 구조 전이 이전에 초전도성이 발생함을 보장한다.
• 압력에 따른 X선 회절(XRD) 패턴을 측정하여, VP의 결정 구조가 動압력 전후에 M, R, C 상임을 확인하였다.
• 압력에 따른 저항도 변화 곡선에서 저항 급감의 시작점을 분석하여 초전도 전이 온도(Tc)를 추출하였다.
• PL 피크 에너지 이동을 통해 압력에 따른 광학 금속 갭의 변화를 분석하였으며, 저압 영역에서의 기울기는 -0.124 eV/GPa였다.
• Tc를 압력과 구조 상(M, R, C)과 연관지어 초전도 상도표를 구성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보라색 인에서 수소압 조건 하에서 초전도성이 어느 압력에서 발생하는가?
• RQ2 VP에서 M-에서 R로의 구조 전이 및 R-에서 C로의 전이를 거치면서 초전도 임계온도(Tc)는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 블랙 흑연과는 달리, 초전도성이 M 상에서 구조 전이 이전에 안정화되는가?
• RQ4 고압 조건에서 VP의 초전도 상도표는 블랙 흑연과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 압력 하에서 광학 금속 갭과 구조 상 전이 간의 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 보라색 인에서 초전도성이 단일정방형(M) 상에서 2.75 GPa에서 발생하며, 이는 8.5 GPa에서의 M-R 구조 전이 이전이다.
• 초전도 임계온도(Tc)는 2.75 GPa에서 4.3 K로 발생하며, 3.57에서 12.2 GPa 사이의 압력 범위에서 약 7 K로 유지되는 플랫폼 상태를 유지한다. 이는 M-R 구조 전이를 포함한다.
• 17.1 GPa에서 Tc는 단순입방형(C) 상에서 9.4 K로 증가하며, 40.2 GPa까지 약 10 K로 포화 상태를 유지한다.
• 광발광 측정 결과, VP는 4.78 GPa까지 반도체 상태를 유지하며, 선형적인 금속 갭 감소율이 -0.124 eV/GPa로 나타나, 초전도성이 금속화 이전의 M 상에서 발생함을 확인한다.
• VP의 초전도 상도표는 블랙 흑연과 다름을 보이며, 저압 영역에서 더 이르게 초전도성이 발생하고, 더 높은 Tc를 기록한다.
• 결과적으로, 보라색 인은 압력에 의해 전자적 성질을 조절 가능하며, 고급 옵티오일렉트로닉 및 양자 응용 분야에서의 잠재력을 보여준다.