Pressure engineering of van der Waals compound RhI; Bandgap narrowing, metallization, and remarkable enhancement of photoelectric activity

ファンデルワールス化合物RhIの圧力工学; バンドギャップの狭小化、金属化、光電活性の著しい向上

Fang, Y.*; Kong, L.*; Wang, R.*; Zhang, Z.*; Li, Z.*; Wu, Y.*; Bu, K.*; Liu, X.*; Yan, S.*; 服部 高典   ; Li, N.*; Li, K.*; Liu, G.*; Huang, F.*

Fang, Y.*; Kong, L.*; Wang, R.*; Zhang, Z.*; Li, Z.*; Wu, Y.*; Bu, K.*; Liu, X.*; Yan, S.*; Hattori, Takanori; Li, N.*; Li, K.*; Liu, G.*; Huang, F.*

層状ファンデルワールスハライドは、外部圧力に対して特に敏感であるため、目的とする性質を持つ構造にチューンすることが可能となる。一方で、圧力に非常に敏感であるという特性は、同時に目的とする機能の実現に有害な相転移や格子歪みを引き起こす可能性があるためその操作は依然として困難である。この研究では、層状RhI結晶が持つ極めて弱い層間結合と高い機能可変性を観察した。5GPaという適度な圧力をかけると圧力誘起相転移が起こり、積層構造に変化が現れた。驚くべきことに、この相転移は、圧力に対してほぼ直線的なバンドギャップ減少という傾向に影響を与えなかった。また、より高い圧力では、1.3eVの赤方偏移というかなり大きな調整幅を伴う金属相が観測された。さらに、RhIのキャリア濃度は30GPaで4桁増加し、光電流は7.8GPaで5桁増加することが確認された。これらの結果は、ファンデルワールスハライドの層状構造という特異な特徴を生かした探索、調整、理解のための新たな機会を創出し、原子レベルの薄さを持つマテリアルバイデザインに基づく将来のデバイスとして有望である。

The layered van der Waals halides are particularly sensitive to external pressure, suggesting a feasible route to pinpoint their structure with extraordinary behavior. However, a very sensitive pressure response usually lead to a detrimental phase transition and/or lattice distortion, making the approach of materials manipulation in a continuous manner remain challenging. Here, the extremely weak interlayer coupling and high tunability of layered RhI crystals are observed. A pressure-driven phase transition occurs at a moderate pressure of 5 GPa, interlinking to a change of layer stack mode. Strikingly, such a phase transition does not affect the tendency of quasi-linear bandgap narrowing, and a metallization with an ultra-broad tunability of 1.3 eV redshift is observed at higher pressures. Moreover, the carrier concentration increases by 4 orders of magnitude at 30 GPa, and the photocurrent enhances by 5 orders of magnitude at 7.8 GPa. These findings create new opportunities for exploring, tuning, and understanding the van der Waals halides by harnessing their unusual feature of a layered structure, which is promising for future devices based on materials-by-design that are atomically thin.