近日，西湖大学郑昌喜教授团队与其合作者在《Nature Communications》上发表了题为“Giant piezoresistivity in a van der Waals material induced by intralayer atomic motions”的研究论文。研究团队通过压力调控促使层状材料β′相硒化铟（β′-In2Se3）产生巨压阻效应，并且其压阻系数是目前报道的vdW层状晶体材料中最大的。研究团队证实β′-In2Se3的巨压阻效应源自于中间层Se原子在面内向高对称位置移动导致的带隙闭合，揭示了操控vdW材料的电子结构新的因素和物理机制。西湖大学郑昌喜教授为该工作的共同通讯作者，其团队博士研究生付启及王宸分别在低温电测量及第一性原理计算作出贡献。
图1论文截图
范德华（vdW）层状晶体是一类由于vdW间隙中没有强的化学键而只通过层间弱的分子力耦合的材料。对于此类材料，通过调节其层间距及堆垛方式可以诱导出现许多重要的物理现象，如超导电性、量子反常霍尔效应和层间激子等。通常可以用于调节晶格参数的方法有interlayer twisting, artificial multilayers stacking, and atom/molecular intercalation等。除此之外，压力也是一种对材料性能进行调制的有效手段，通过了解压力产生应变对vdW层状材料电学性能的影响，对应变电子学器件的研究具有重要意义。以往人们普遍认为压力对vdW晶体物性的影响主要源自两种机制：晶格收缩的各向异性和层间滑移。而对于多层比如五层原子层甚至更多层的层状材料，在压力调制下可能有其他因素起主导作用。
In2Se3是一种众所周知的多功能层状材料，其单层具有五层原子。由于五层原子有多种叠加方式，In2Se3具有丰富的相结构，目前已知的有α, β, γ和β′相等等。
研究团队在对层状半导体材料β′-In2Se3的压力电学实验研究中发现，仅需1.2GPa的压力，这种材料的电阻率就会降低6个数量级，从而可以获得高达-5.33 GPa-1的压阻系数，比商用的硅基压阻材料要高出近25倍，这也是目前报道的vdW层状晶体材料中压阻系数最大的材料（图2）。同时在相近的压力范围，研究团队观察到β′-In2Se3发生从半导体到半金属的转变，而在晶体结构实验中并无结构相变。
图2论文截图：β´-In2Se3的巨压阻效应
研究团队对压阻效应的来源和机制进行进一步探索，发现β′-In2Se3中的巨压阻效应与线性二色性消失存在非常强的关联（图3）。β′-In2Se3中线性二色性存在主要是由于其结构中五层原子层的中间原子偏离中心中心位置。线性二色性在压力下消失是说明在压力调制下β′-In2Se3中间层Se原子向高对称位置产生移动。而这中间层Se原子向高对称位置的移动可能导致了巨压阻效应。通过第一性原理计算，研究团队证实β′-In2Se3的巨压阻效应就是源自于中间层Se原子在面内向高对称位置移动导致的带隙闭合，而不是来源于通常认为的压力诱导的晶收缩的各向异性或者层间滑移。
图3论文截图：线性二色性随压力的演化
该工作得到了国家自然科学基金面上项目（12174319）的资助以及西湖大学物质科学公共实验平台的技术支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37239-9
