大阪大學研究生院基礎工學研究科物質創成專業的特別研究生Mayo Alex Hiro與石渡晉太郎教授組成的研究團隊，成功地高壓合成了擁有黑磷層狀結構的磷系津特耳化合物MoP4的單晶和多晶。研究團隊發現，有望將其作爲探索新拓撲半金屬的平台。
磷系層狀津特耳化合物MoP4的晶體結構（供圖：大阪大學）
磷是構成光通訊材料以及包括DNA和磷酸在内的生質等多種功能性物質的主要元素之一。磷系化合物的結構和功能的多樣性源於八隅體規則。作爲後石墨烯材料或超高速半導體備受期待的黑磷的層狀結構和電子結構也受八隅體規則的制約。
津特耳化合物是由形成共價鍵聚陰離子簇的非金屬元素和金屬陽離子組成的化合物的總稱，晶體整體的性質介於離子晶體與共價鍵晶體之間。其特點是，聚陰離子簇透過用金屬陽離子供給的電子形成孤對電子來滿足八隅體規則，因此容易形成半導體或半金屬電子結構。另一方面，已知單體磷在數萬～數十萬個大氣壓力的壓力下收歛合形成各種陰離子簇，而作爲其高壓相之一的黑磷在壓力之下會成爲狄拉克半金屬候選物質。
作爲能透過高壓合成合理設計狄拉克半金屬的階層，研究團隊着眼於擁有與黑磷相似的層狀結構的津特耳化合物MoP4。這種物質也毫不例外地擁有與黑磷相似的層狀磷骨架，但加入鉬可以實施名爲狄拉克半金屬的特殊電子結構，而不是半導體。研究發現，透過混合插入磷聚陰離子層之間的金屬陽離子M2+的價軌域和磷的p軌道，能以實空間爲基礎生成和控制拓撲電子結構。
這是一種可能與有望用於新一代超高速節能電子器件的石墨烯實施相同性質的電子結構，可以大大拓寬磷系化合物作爲電子材料的可能性。不過，擁有磷骨架的導電化合物大多都需要在數萬個大氣壓力左右的超高壓下才能合成，因此很難合成純淨的單晶或多晶樣品。這也表明，高壓下可能沉睡着很多未知的高功能磷化合物。
相關研究成果已經發布在日本物理可用能學會發行的英文期刊《Journal of the Physical Society of Japan》的2021年12月號上。
石渡教授表示：「實用的功能性材料除了功能方面的優勢外，還需要具備包括製造成本、安全和穩定性在内的材料特性，含磷架構的電子材料從這些角度來看也蘊藏着巨大的可能性，今後將高壓合成包括各種過渡金屬和稀土金屬在内的二元磷化合物。」
【詞注】
八隅體規則：原子最外層的電子數爲8個時，化合物和離子穩定存在的經驗法則。
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
