| 标题 | 过渡族金属硫属化合物二碲化钨研究进展 |
| 范文 | 何亮 王浩 冯海奎 耿春杰 王红宇 摘 要：在科学研究的几十年内，过渡族金属硫属化合物因具备丰富的物理化学特性而被各类人员广泛研究。而二碲化钨作为其中的一员，2014年因Mazhar N. Ali报道了二碲化钨其优异的磁电阻效应，而迅速成为国际研究热点。独特的晶体结构被广大科研人员争相研究，并通过各自特有的方式探寻其潜在的物理机制，但最终的理论支持也未得到充分的同意认定。而本文将阐述近几年国内外二碲化钨研究进展，并结合理论数据从微观电子-空穴补偿等物理机理方面讨论二碲化钨与巨大的磁电阻之间的相互关系。再对二碲化钨在拓扑相变、超导、光学研究的意义进行简单的讨论。 关键词：过渡族金属硫属化合物;二碲化钨 1.二碲化钨结构 过渡族金属硫属化合物中，化合物晶体结构以层状居多，并借此特殊的结构特性而具备丰富的物理化学特性。在催化领域、电荷密度和超导研究被广泛关注[1]。而二碲化钨又具备化合物层状结构特性，它的化学式为WTe2，但它又有别于其它过渡族金属硫属化合物，因其晶体结构中包含一个额外晶格畸变，沿着晶胞结构的a轴规则排列的W原子层位于两层Te原子面的中间。以这种独特的晶体结构为单元再从c轴上重叠起来[2，3]。 二碲化钨与过渡族金属硫属化合物中晶体层之间同样是由范德华力连接，不同之处在于具备最大的层间距。大多数过渡族金属硫属化物具有六角晶体结构，对于二碲化钨的特殊结构可能会由六角晶体结构转变为正交晶体结构，因此形成的二碲化钨晶胞内键长有2.7 A至2.8不等[1]。 2.1二碲化钨的性质 二碲化鎢因在结构上具有大层间距，正交晶体结构以及半金属的能带结构使之成为过渡族金属硫属化物中特立独行的一员，期待它能表现出与其他过渡族金属硫化物不同的物理化学特性[3]。 2.2二碲化钨的巨大磁电阻 将通有电流的金属或半导体材料放入磁场环境下，其电阻值将发生明显改变，这种现象称为磁电阻效应。磁电阻是凝聚态物理中一种重要的现象。在2014年发现二碲化钨具有特殊的磁电阻效应，较简单金属而言，磁电阻非常小，在低应力场表现出二次依懒性，并在高应力场下表现出饱和状态。与此相反的是，发现层状过渡金属硫属化合物二碲化钨的巨磁电阻效应，当电流从a轴和c轴施加磁场时，在4.5K时，14.7T的非饱合性磁电阻效应为4.5×105%。更让人意外的是，在0.53K条件下，在60T时，它增加到1.3×107%，没有任何饱和迹象。二碲化钨的独特性质使得在过渡族金属硫属化合物占得一席之地，非饱和性磁电阻效应在低温高灵敏度的传感器件上有着巨大潜力，这也是目前为止，知道的唯一电子-空穴补偿完美平衡的体系，也是唯一的非饱和磁电阻材料。 同年，P. L. Cai等人[2]进一步证实这个观点，并对不同压力值对磁电阻效应展开了研究。如图二所示[2]，他们猜测二碲化钨的非饱和磁性电阻效应与微观结构的电子和空穴之间的相互迁移有关。并发现在0.3K时二碲化钨的磁电阻效应震荡尤为剧烈。因此，引入了压力作为掺量，进而观测电子空穴分布的完美平衡。通过对二碲化钨不断施加压力，观测到对非饱和性磁电组效应的抑制作用。证明了在二碲化钨中电子和空穴分布之间完美平衡对非饱和性磁电阻效应的重要性[2]。 虽然大多数已有的研究成果都成为了二碲化钨的极大磁阻效应电子-空穴分布之间的完美平衡机制的证实数据，但也有不少研究成果表明电子-空穴分布之间的完美平衡机制并非是引起二碲化钨极大磁阻效应的唯一物理机制。通过双能带理论利用一个电解质门控来调节空穴和电子的绝对密度及相对密度，通过测量不同空穴-电子相对密度下的磁阻电阻率发现了在14 T的磁场强度下仍未饱和，而根据双能带模型此时理应饱和，因此他们认为电子-空穴的分布平衡机制并非是引起二碲化钨极大磁阻的物理机制，应该还需考虑其他存在的物理机制。 综上，二碲化钨因其独特的非饱和性磁电阻效应可被应用于电子元器件、信息存储、磁性传感器等，具备非常丰富的市场应用前景。优异的磁电阻效应又可以在未来的压力传感器下独占鳌头。并且具有体积、灵敏度、探测范围有着不可抗力的优势。二碲化钨作为过渡族金属硫属化合物中的一员，所具备得层状结构，单晶二碲化钨容易剥离。也会为它挤进未来纳米薄膜、纳米结构器件提供了有力基础。 2.3二碲化钨高压超导性 超导材料在超导态时没有电阻，无损地传输电能，被科研人员密切关注。绝大多数的过渡族金属硫属化合物通过掺杂、加压使晶格发生畸变在低温下都具备超导特性[2，4]。现有实验研究表明，通过对二碲化钨的加压其巨大的磁电阻效应被不断抑制。2015年Xing-Chen Pan等人[4]，首次报道了关于高压诱导二碲化钨超导性，对二碲化钨的不断加压，从2.5Gpa开始非饱和性磁电阻效应不断被抑制，首次出现了二碲化钨的超导性。当加压至16.8Gpa超导临界温度不增反降，通过新增的额外费米面推测是压力过高导致二碲化钨结构遭受到破坏而无法维持稳定相变[4]。证明了压力对电子-空穴分布完美平衡有着促进作用。 2.4二碲化钨光学性质 除了理论计算二碲化钨的电子结构外，而光学性质也是间接反映二碲化钨的电子结构。虽然关于二碲化钨已有较多研究成果，但光学性质方面却鲜有报道。2016年，Y. C. Jiang等人报道了与声子对应的6个拉曼峰的观测。这为区分二碲化钨空间群和其他过渡族金属硫属化合物空间群提供了最直接的证据。还对二碲化钨从块体到单层的拉曼演示过程进行了描述。 引入拉曼光谱技术对研究在不同压强下的二碲化钨的光学特性有着重要作用。不仅可以丰富二碲化钨与的光学性质有关的研究，而且也可以在探索压强对二碲化钨电子结构的影响方式上有一个更全面的认识。 3. ?总结 二碲化钨因具备特殊的正交晶体结构和键长，在过渡族金属硫属化合物中表现出其独特的磁电阻效应，在压力作用下又表现出超导特性。研究成果主要支持电子载流子密度和空穴载流子密度的完美补偿机制，但也有从自旋轨道耦合的物理机制来反应，有从电子结构和光学特性的声子谱来提出电子耦合来反应并非自旋声子耦合。综上所述可知，引起二碲化钨极大磁阻的物理机制仍不清楚，因此还需要更多相关的研究对该问题进行讨论。总的来说，在压强既会对二碲化钨的能带结构有较大的影响，并相应地影响到对二碲化钨附近的费米能带。据此本文推断压强可能是通过影响二碲化钨费米能附近的能带来影的极大磁阻效应的。 参考文献： [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. 本论文受吉林建筑大学大学生创新创业训练项目资助 项目编号：201910191048 |
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