大阪大学研究生院基础工学研究科物质创成专业的特别研究生Mayo Alex Hiro与石渡晋太郎教授组成的研究团队，成功地高压合成了拥有黑磷层状结构的磷系津特耳化合物MoP4的单晶和多晶。研究团队发现，有望将其作为探索新拓扑半金属的平台。
磷系层状津特耳化合物MoP4的晶体结构（供图：大阪大学）
磷是构成光通信材料以及包括DNA和磷酸在内的生物质等多种功能性物质的主要元素之一。磷系化合物的结构和功能的多样性源于八隅体规则。作为后石墨烯材料或超高速半导体备受期待的黑磷的层状结构和电子结构也受八隅体规则的制约。
津特耳化合物是由形成共价键聚阴离子簇的非金属元素和金属阳离子组成的化合物的总称，晶体整体的性质介于离子晶体与共价键晶体之间。其特点是，聚阴离子簇通过用金属阳离子供给的电子形成孤对电子来满足八隅体规则，因此容易形成半导体或半金属电子结构。另一方面，已知单体磷在数万～数十万个大气压的压力下会聚合形成各种阴离子簇，而作为其高压相之一的黑磷在压力之下会成为狄拉克半金属候选物质。
作为能通过高压合成合理设计狄拉克半金属的体系，研究团队着眼于拥有与黑磷相似的层状结构的津特耳化合物MoP4。这种物质也毫不例外地拥有与黑磷相似的层状磷骨架，但加入钼可以实现名为狄拉克半金属的特殊电子结构，而不是半导体。研究发现，通过混合插入磷聚阴离子层之间的金属阳离子M2+的价电子轨道和磷的p轨道，能以实空间为基础生成和控制拓扑电子结构。
这是一种可能与有望用于新一代超高速节能电子器件的石墨烯实现相同性质的电子结构，可以大大拓宽磷系化合物作为电子材料的可能性。不过，拥有磷骨架的导电化合物大多都需要在数万个大气压左右的超高压下才能合成，因此很难合成纯净的单晶或多晶样品。这也表明，高压下可能沉睡着很多未知的高功能磷化合物。
相关研究成果已经发布在日本物理学会发行的英文期刊《Journal of the Physical Society of Japan》的2021年12月号上。
石渡教授表示：“实用的功能性材料除了功能方面的优势外，还需要具备包括制造成本、安全性和稳定性在内的材料特性，含磷架构的电子材料从这些角度来看也蕴藏着巨大的可能性，今后将高压合成包括各种过渡金属和稀土金属在内的二元磷化合物。”
【词注】
八隅体规则：原子最外层的电子数为8个时，化合物和离子稳定存在的经验法则。
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
