2차원 층상 구조를 가지는 물질인 흑린(black phosphorus)은 인(phosphorus)으로 구성된 동소체이다. 최근 들어 외부 전기장과 같은 방법을 이용해 다층 흑린의 밴드갭을 조절하여 절연체(insulator)상과 두 개의 디락 점을 가지는 디락 준금속(Dirac semimetal)상을 만드는 연구들이 활발히 진행되고 있다. 이 두 개의 상 사이의 전이점에는 반-디락(semi-Dirac) 준금속 상태가 나타나는데, 한 쪽 방향으로는 선형, 다른 방향으로는 포물선형의 띠 분산을 갖는 특징이 있다. 본 연구에서는 다층 흑린의 격자 모델(lattice model)과 연속체 모델(continuum model)을 이용하여 광학전도도(optical conductivity)를 계산하고 전기장 및 온도 효과를 연구하였다. 다양한 상에 따라 낮은 주파수 영역에서 광학전도도가 서로 다른 멱법칙(power law)을 가질 수 있음을 보였고, 전기장이 바뀜에 따라 물질의 변수들이 어떻게 변하고 이에 따라 광학전도도의 멱법칙이 어떻게 나타나는지 밝혀내었다. 이를 통해 여러 상에 따른 다층 흑린의 성질을 실험적으로 연구하는데 중요한 이론적 토대를 마련할 수 있을 것으로 기대된다.

Black phosphorus (BP) is a two-dimensional layered material composed of phosphorus atoms. Recently, it was demonstrated that external perturbations such as an electric field close the band gap in few-layer BP, and can even induce a band inversion, resulting in an insulator phase with a finite energy gap or a Dirac semimetal phase characterized by two separate Dirac nodes. At the transition between the two phases, a semi-Dirac state appears in which energy disperses linearly along one direction and quadratically along the other. In this work, we study the optical conductivity of few-layer BP using a lattice model and the corresponding continuum model, incorporating the effects of an external electric field and finite temperature. We find that the low-frequency optical conductivity scales a power law that differs depending on the phase, which can be utilized as an experimental fingerprint of few-layer BP in different phases. We also systematically analyze the evolution of the material parameters as the electric field increases, and the consequence on the power-law behavior of the optical conductivity.

Authors: Jiho Jang (서울대), Seongjin Ahn (서울대), Hongki Min (서울대)

Journal: 2D Materials 6, 025029 (2019)

Publication date: 6 March 2019

Link: https://doi.org/10.1088/2053-1583/ab075b

그림설명 :

(a) Low-energy band structure of few-layer BP in the insulator phase, semi-Dirac point, and Dirac semimetal phase. (b) Optical conductivity of few-layer BP at the semi-Dirac point.