[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究报道了在范德华半导体红磷（VP）中实现压力诱导的超导性，其临界温度（Tc）在单斜相（M）中于2.75 GPa时达到4.3 K，早于8.5 GPa时发生的M-R结构相变。Tc在M-R相变过程中上升至约7 K，并在15 GPa以上的简单立方相（C）中跃升至约10 K，展现出与黑磷不同的独特超导相图，凸显了VP在量子与光电应用中可调的电子特性。

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.

研究动机与目标

• 研究红磷（VP），一种稳定的范德华半导体，在高压下的电子相变行为。
• 确定在静水压下VP中超导性的起始压力和临界温度（Tc）。
• 比较VP与黑磷（BP）的超导相图，特别是结构相变与超导相变的顺序。
• 通过高压下的电阻率和光致发光（PL）光谱学确认VP中的超导态。
• 建立VP中结构相变与超导行为之间的关系。

提出的方法

• 在立方砧压机和金刚石对顶砧（DAC）中，对单晶VP样品施加高达40.2 GPa的高压，进行电阻率测量。
• 利用光致发光（PL）光谱学探测光学带隙，并确认VP在高达4.78 GPa时仍保持半导体特性，确保超导性在M-R结构相变前发生。
• 通过X射线衍射（XRD）图案确认VP在压缩前后的晶体结构，验证了M、R和C相的存在。
• 从压力依赖电阻率曲线中电阻下降的起始点提取超导转变温度（Tc）。
• 通过PL峰能量位移分析光学带隙随压力的演化，低压力区的系数为-0.124 eV/GPa。
• 通过关联Tc与压力及结构相（M、R、C）构建VP的超导相图。

实验结果

研究问题

• RQ1 在静水压下，红磷中的超导性在何种压力下开始？
• RQ2 VP中从M相到R相以及从R相到C相的结构相变过程中，超导临界温度（Tc）如何演化？
• RQ3 与黑磷相比，VP中的超导性是否在结构相变前的单斜相（M）中稳定存在？
• RQ4 在高压下，VP的超导相图与黑磷相比有何不同？
• RQ5 在压力下，VP的光学带隙与结构相变之间存在何种关系？

主要发现

• 在单斜相（M）中，红磷的超导性在2.75 GPa时开始，远早于8.5 GPa时发生的M-R结构相变。
• 在2.75 GPa时，超导临界温度（Tc）达到4.3 K，并在3.57至12.2 GPa范围内保持约7 K的平台，覆盖了M-R结构相变。
• 在17.1 GPa时，Tc在简单立方相（C）中上升至9.4 K，并在高达40.2 GPa的范围内保持约10 K的饱和状态。
• 光致发光测量结果表明，VP在高达4.78 GPa时仍保持半导体特性，带隙线性减小的速率为-0.124 eV/GPa，证实超导性在金属化之前于M相中发生。
• VP的超导相图与黑磷明显不同，因为VP中的超导性出现更早，且在低压力下具有更高的Tc。
• 结果表明，红磷在压力下表现出可调的电子特性，具有在先进光电与量子应用中的潜力。