APL：高压偏振拉曼光谱研究揭示黑磷的压致电子相变

我室雷力研究员团队利用自主搭建的高压原位偏振拉曼光谱测量系统，在黑磷的压致电子相变研究中取得重要突破。团队首次报道了黑磷由压力诱导的拓扑相变及其独特的光学各向异性演化规律，建立了拉曼张量元比值与介电响应的直接联系。相关成果以“Anomalous polarization evolution associated with pressure-induced topological transitions in black phosphorus” 为题发表在应用物理学旗舰期刊《Applied Physics Letters》上，论文第一作者为四川大学2022级博士研究生刘静仪。

黑磷作为一种具有显著面内各向异性的层状半导体，近年来在纳米光电子和量子材料领域备受关注。其独特的褶皱正交晶格结构使得沿扶手椅和锯齿两个晶格方向的电学、光学和热学性质呈现显著差异。然而，尽管压力被认为是调控黑磷电子结构的有效手段，高压下其电子相变与光学各向异性之间的内在关联机制仍不明确。同时，检测压致电子拓扑相变的常用测量手段，如电学输运等，存在设备复杂、信号干扰多、数据解读间接等技术难题，为高压下二维材料的微观响应机制解析带来了极大的挑战。

图1. 高压偏振拉曼光谱测量系统

研究团队基于自主搭建的高压原位角度分辨偏振拉曼光谱系统，对13~3000 nm黑磷在静水压下的偏振演化进行了系统研究。该技术能够实时追踪不同压力下各拉曼活性模式的强度随激光偏振角度的变化规律。实验发现，在约1 GPa和2.5 GPa两个临界压力点，不同厚度黑磷的拉曼张量元比值出现显著反转。第一个反转点与已知的半导体-半金属电子拓扑转变相对应，标志着带隙闭合和载流子行为的根本改变；而第二个反转点则揭示了一个此前未被充分认识的新颖现象——在半金属相内发生的各向异性响应趋势的逆转。通过结合第一性原理计算，研究进一步阐明这些转变主要由沿扶手椅方向的介电性能演化所驱动，反映了电子-光子-声子耦合在压力下的各向异性增强与重构。

图2. 黑磷薄片的高压偏振拉曼光谱

本工作首次在黑磷中观测到压力诱导的偏振主轴反转现象，并确认其与电子性质直接相关。通过建立拉曼张量元比值与介电响应之间的联系，揭示了压力下光学各向异性演化的微观起源。研究还发现，尽管不同厚度样品的转变压力存在一定差异，但其各向异性演化趋势保持一致，说明在该厚度范围内黑磷仍保持准体材料的电子能带特征。

该研究不仅为理解黑磷在压力下的电子行为与光学响应提供了新视角，也为利用压力调控二维材料的各向异性功能开辟了新路径。所发展的高压偏振拉曼方法具有普适性，未来可推广至其他层状材料在极端条件下的电子-声子耦合和拓扑物性研究，为设计高性能压控光电器件奠定了实验与理论基础。

文章链接：https://doi.org/10.1063/5.0297110