過渡族金屬硫屬化合物二碲化鎢研究進展

何亮 王浩 馮海奎 耿春杰 王紅宇

摘 要：在科學研究的幾十年內，過渡族金屬硫屬化合物因具備豐富的物理化學特性而被各類人員廣泛研究。而二碲化鎢作為其中的一員，2014年因Mazhar N. Ali報道了二碲化鎢其優異的磁電阻效應，而迅速成為國際研究熱點。獨特的晶體結構被廣大科研人員爭相研究，并通過各自特有的方式探尋其潛在的物理機制，但最終的理論支持也未得到充分的同意認定。而本文將闡述近幾年國內外二碲化鎢研究進展，并結合理論數據從微觀電子-空穴補償等物理機理方面討論二碲化鎢與巨大的磁電阻之間的相互關系。再對二碲化鎢在拓撲相變、超導、光學研究的意義進行簡單的討論。

關鍵詞：過渡族金屬硫屬化合物;二碲化鎢

1.二碲化鎢結構

過渡族金屬硫屬化合物中，化合物晶體結構以層狀居多，并借此特殊的結構特性而具備豐富的物理化學特性。在催化領域、電荷密度和超導研究被廣泛關注[1]。而二碲化鎢又具備化合物層狀結構特性，它的化學式為WTe2，但它又有別于其它過渡族金屬硫屬化合物，因其晶體結構中包含一個額外晶格畸變，沿著晶胞結構的a軸規則排列的W原子層位于兩層Te原子面的中間。以這種獨特的晶體結構為單元再從c軸上重疊起來[2，3]。

二碲化鎢與過渡族金屬硫屬化合物中晶體層之間同樣是由范德華力連接，不同之處在于具備最大的層間距。大多數過渡族金屬硫屬化物具有六角晶體結構，對于二碲化鎢的特殊結構可能會由六角晶體結構轉變為正交晶體結構，因此形成的二碲化鎢晶胞內鍵長有2.7 A至2.8不等[1]。

2.1二碲化鎢的性質

二碲化鎢因在結構上具有大層間距，正交晶體結構以及半金屬的能帶結構使之成為過渡族金屬硫屬化物中特立獨行的一員，期待它能表現出與其他過渡族金屬硫化物不同的物理化學特性[3]。

2.2二碲化鎢的巨大磁電阻

將通有電流的金屬或半導體材料放入磁場環境下，其電阻值將發生明顯改變，這種現象稱為磁電阻效應。磁電阻是凝聚態物理中一種重要的現象。在2014年發現二碲化鎢具有特殊的磁電阻效應，較簡單金屬而言，磁電阻非常小，在低應力場表現出二次依懶性，并在高應力場下表現出飽和狀態。與此相反的是，發現層狀過渡金屬硫屬化合物二碲化鎢的巨磁電阻效應，當電流從a軸和c軸施加磁場時，在4.5K時，14.7T的非飽合性磁電阻效應為4.5×105%。更讓人意外的是，在0.53K條件下，在60T時，它增加到1.3×107%，沒有任何飽和跡象。二碲化鎢的獨特性質使得在過渡族金屬硫屬化合物占得一席之地，非飽和性磁電阻效應在低溫高靈敏度的傳感器件上有著巨大潛力，這也是目前為止，知道的唯一電子-空穴補償完美平衡的體系，也是唯一的非飽和磁電阻材料。

同年，P. L. Cai等人[2]進一步證實這個觀點，并對不同壓力值對磁電阻效應展開了研究。如圖二所示[2]，他們猜測二碲化鎢的非飽和磁性電阻效應與微觀結構的電子和空穴之間的相互遷移有關。并發現在0.3K時二碲化鎢的磁電阻效應震蕩尤為劇烈。因此，引入了壓力作為摻量，進而觀測電子空穴分布的完美平衡。通過對二碲化鎢不斷施加壓力，觀測到對非飽和性磁電組效應的抑制作用。證明了在二碲化鎢中電子和空穴分布之間完美平衡對非飽和性磁電阻效應的重要性[2]。

雖然大多數已有的研究成果都成為了二碲化鎢的極大磁阻效應電子-空穴分布之間的完美平衡機制的證實數據，但也有不少研究成果表明電子-空穴分布之間的完美平衡機制并非是引起二碲化鎢極大磁阻效應的唯一物理機制。通過雙能帶理論利用一個電解質門控來調節空穴和電子的絕對密度及相對密度，通過測量不同空穴-電子相對密度下的磁阻電阻率發現了在14 T的磁場強度下仍未飽和，而根據雙能帶模型此時理應飽和，因此他們認為電子-空穴的分布平衡機制并非是引起二碲化鎢極大磁阻的物理機制，應該還需考慮其他存在的物理機制。

綜上，二碲化鎢因其獨特的非飽和性磁電阻效應可被應用于電子元器件、信息存儲、磁性傳感器等，具備非常豐富的市場應用前景。優異的磁電阻效應又可以在未來的壓力傳感器下獨占鰲頭。并且具有體積、靈敏度、探測范圍有著不可抗力的優勢。二碲化鎢作為過渡族金屬硫屬化合物中的一員，所具備得層狀結構，單晶二碲化鎢容易剝離。也會為它擠進未來納米薄膜、納米結構器件提供了有力基礎。

2.3二碲化鎢高壓超導性

超導材料在超導態時沒有電阻，無損地傳輸電能，被科研人員密切關注。絕大多數的過渡族金屬硫屬化合物通過摻雜、加壓使晶格發生畸變在低溫下都具備超導特性[2，4]。現有實驗研究表明，通過對二碲化鎢的加壓其巨大的磁電阻效應被不斷抑制。2015年Xing-Chen Pan等人[4]，首次報道了關于高壓誘導二碲化鎢超導性，對二碲化鎢的不斷加壓，從2.5Gpa開始非飽和性磁電阻效應不斷被抑制，首次出現了二碲化鎢的超導性。當加壓至16.8Gpa超導臨界溫度不增反降，通過新增的額外費米面推測是壓力過高導致二碲化鎢結構遭受到破壞而無法維持穩定相變[4]。證明了壓力對電子-空穴分布完美平衡有著促進作用。

2.4二碲化鎢光學性質

除了理論計算二碲化鎢的電子結構外，而光學性質也是間接反映二碲化鎢的電子結構。雖然關于二碲化鎢已有較多研究成果，但光學性質方面卻鮮有報道。2016年，Y. C. Jiang等人報道了與聲子對應的6個拉曼峰的觀測。這為區分二碲化鎢空間群和其他過渡族金屬硫屬化合物空間群提供了最直接的證據。還對二碲化鎢從塊體到單層的拉曼演示過程進行了描述。

引入拉曼光譜技術對研究在不同壓強下的二碲化鎢的光學特性有著重要作用。不僅可以豐富二碲化鎢與的光學性質有關的研究，而且也可以在探索壓強對二碲化鎢電子結構的影響方式上有一個更全面的認識。

3. ?總結

二碲化鎢因具備特殊的正交晶體結構和鍵長，在過渡族金屬硫屬化合物中表現出其獨特的磁電阻效應，在壓力作用下又表現出超導特性。研究成果主要支持電子載流子密度和空穴載流子密度的完美補償機制，但也有從自旋軌道耦合的物理機制來反應，有從電子結構和光學特性的聲子譜來提出電子耦合來反應并非自旋聲子耦合。綜上所述可知，引起二碲化鎢極大磁阻的物理機制仍不清楚，因此還需要更多相關的研究對該問題進行討論。總的來說，在壓強既會對二碲化鎢的能帶結構有較大的影響，并相應地影響到對二碲化鎢附近的費米能帶。據此本文推斷壓強可能是通過影響二碲化鎢費米能附近的能帶來影的極大磁阻效應的。

參考文獻：

[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.

本論文受吉林建筑大學大學生創新創業訓練項目資助

項目編號：201910191048