二维硼烯本征电阻的统一标度率

  近年来,新型二维材料硼烯(borophene)在实验中成功合成 (Nat. Chem. 2016, 8 (6), 563-568; Science 2015, 350, 1513)。硼烯,即单原子硼层,有着非常丰富的结构。根据硼原子的配位数不同,可以把硼烯分成 α相, β相 和 χ相等等。 不同于石墨烯,硼烯有着比较特别的电子和输运性质,比如超导(理论预言临界温度约为20 K)和狄拉克费米子。作为唯一的单元素二维金属材料,硼烯给研究二维金属中的输运性质提供了很好的平台。
  最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心SF10组博士研究生张进在孟胜研究员的指导下与英国牛津大学 Feliciano Giustino教授,帝国理工大学Johannes Lischner博士,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室Sergei Tretiak教授、周柳江博士等合作,运用基于第一性原理的电声耦合计算方法系统地研究了硼烯三种相的本征电子输运性质。在室温下,β 12相硼烯的电阻率大约为3.52μΩ *cm,这跟已知的最好导体——石墨烯的室温电阻(1.0 μΩ *cm)在一个数量级上。
  更重要的是,他们发现硼烯的电阻呈现出奇特的统一标度律。在低温下(<100 K),硼烯本征电阻与温度四次方成正比;而高温时(>100 K),硼烯的本征电阻与温度成正比(图1)。不同结构、不同电子浓度的硼烯转变温度均在100K左右,相比之下石墨烯的转变温度在100 K-900 K之间变化。这些行为来自于硼烯奇特的费米面,即大区域电子口袋、小区域电子口袋和空穴口袋共存,可以用Bloch-Grüneisen 模型来描述。此外,他们还发现硼烯的电阻很容易受到外加载流子的调控。外加空穴可以增高电阻达四倍以上(图2)。这些发现对二维硼层在未来新型电子学中的应用有着很重要的参考价值。相关研究成果发表在Angew. Chem. Int’l. Ed. 上(Zhang et al. Angew. Chem. Int’l. Ed. 2018, DOI: 10.1002/anie.201800087).
  本项研究工作得到国家自然科学基金项目(项目批准号11774396, 11474328 和 11290164)、科技部(项目批准号2016YFA0300902 和 2015CB921001)、中国科学院(XDB07000000)和北京市科委(D161100002416003)的资助。
图1. 硼烯本征电阻在不同温度下的行为。
图2. 硼烯本征电阻受外加载流子浓度的调控。

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中国科学院物理研究所

物理所是以物理学基础研究与应用基础研究为主的多学科、综合性研究机构,研究方向以凝聚态物理为主,包括凝聚态物理、光学物理、原子分子物理、等离子体物理、软物质物理、凝聚态理论和计算物理等。战略定位是“面向国家战略需求,面向世界科技前沿”,发展目标是“建成国际一流物质科学研究基地”。

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