判断晶格取向新方法:超薄黑磷振动模式对外界应力的显著各向异性响应

自2014年以来,黑磷作为一种高迁移率、能隙可调的各向异性直接带隙二维单质半导体材料得到了各界的广泛关注。磷单质具有多种同分异构体结构,其性质也各不相同。黑磷是其最稳定的同素异形体,具有层状结构,是一种拥有优异电学和光学特性的二维半导体材料。每层黑磷中的原子在原子排列上呈各向异性,两个方向上分别呈锯齿状和扶手椅状排布。结构上的各向异性使黑磷有可能在光学,热学和电学等方面也呈现各向异性,这是有别于此前多种二维材料的重要特征,也为今后功能材料的设计提供了新的可能。正是因为这种各向异性特性,如何便捷地确定黑磷的取向一直是各界不断努力解决的问题。此前的大多数方法主要采取电学输运测量或者线偏振光旋转测量的方法,是否有其他另辟蹊径的方法还不得而知。

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近日,香港理工大学刘树平教授研究组同中国人民大学季威教授研究组合作报道了超薄黑磷振动模式对拉力的显著各向异性响应。研究发现,超薄黑磷的三个代表性光学振动模式对沿两个方向的拉力具有明显不同的响应特性。其中,沿锯齿列方向的拉力对B2g模式的改变效率最高,远超其它二维材料,其Grüneisen系数更是高达2.5。理论模拟表明,振动模式对拉力的各向异性响应源于在拉力作用下磷原子间键长和键角的协同改变。这种改变导致了黑磷电荷重新分布的各向异性,并改变了原子间的相互作用力,与此前发现的黑磷中可能存在的非简谐振动行为和可能的较强电-声耦合特性一致。根据这一结果,人们无需依赖偏振拉曼光谱,只需用不同方向拉力下的黑磷振动频率变化就可以判断单层黑磷的晶格取向。另外,拉力导致的振动模式改变有可能通过黑磷中较强的电-声耦合和声-声耦合调制其电学和热学性质的各向异性。

该成果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201600986)上,李炎勇和胡智鑫为文章的共同第一作者。

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