近日，我校物理科学与技术学院刘志锋教授团队在团簇物理和拓扑半导体研究领域取得重要进展。该成果提供了一条将器件开关与超高速各向异性狄拉输运相结合的团簇组装新策略，预测了一种有前景的新型碳异构相，有望促推碳基高性能电子学的发展。相关研究内容以“Three-Dimensional Semi-Dirac Semiconductor in a Distorted C60 Solid with Gate-Tunable Quasi-1D Ultrahigh-Speed Transport”为题发表在近期的Nano Letter上https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.6c00823. 内蒙古大学为第一单位和通讯单位，我校博士生杨钊、吕志恒、刘东为共同第一作者，刘志锋教授为唯一通讯作者。

长期以来，传统狄拉克半金属（如石墨烯）在场效应晶体管中的应用面临一个根本性挑战：本征无带隙与场效应晶体管等微电子器件对带隙的开关需求相矛盾，若设法打开带隙则破坏拓扑态的线性色散；前者是实现器件开关的基础，后者则是超快输运的关键，二者不可兼得，制约了下一代拓扑场效应器件的发展。针对这一挑战，我校刘志锋教授课题组通过理论模型与第一性原理计算提出并实现了一种全新的“三维半狄拉克半导体（3D-SDS）”新奇量子态。由于该态集成了本征带隙和栅压可调的三维半狄拉克态，因此具有同时满足器件的可开关性与开态下超高速低维狄拉克载流子输运的潜质。

图1. (a) n型和(b) p型SDS的能带结构示意图，其中E_g为SDS的体相总带隙、ΔE_eff为SD态的有效干净能量窗口。

研究团队通过对层状RP-C₆₀和TP-C₆₀固体施加单轴压力，大批量诱导结构相变，预测出了一种新型稳定的体心正交结构扭变C₆₀晶体（简称bco-dC₆₀）。团队还从多角度证实了该材料具有实验合成的可行性。值得说明的是，该晶体的模拟X射线衍射图谱与金刚石富集涂层中未被指认的实验衍射峰高度吻合,表明该材料的特征基元已在先前实验中悄然存在。

图2. bco-dC₆₀相的结构设计与发现。前驱体层状C₆₀固体的原子结构：(a) TP-C₆₀和(b) RP-C₆₀聚合物。(c) 采用两种不同释压方式的计算筛选策略示意图：“约束渐进式（慢速）”和“冲击淬火式”（快速）释放。(d) 预测的bco-dC₆₀亚稳晶体结构。(e) 体心框架的团簇配位体特征，突出显示了八重簇间连接性。(f) D_2h对称畸变C₆₀笼的详细视图。(g) bco-dC₆₀的模拟XRD图谱，以常规碳同素异形体以及金刚石涂层的实验衍射数据为基准。

第一性原理计算表明，bco-dC₆₀为典型的本征半导体材料，其低能导带形成了一个宽而干净的本征“三维半狄拉克态”——沿k_x方向能带具有一维的线性色散特征，但沿k_y、k_z方向则展现出二次色散的特征。这一特征可被团簇组装分级晶格的双带紧束缚模型精准描述。基于玻尔兹曼理论的计算表明，bco-dC₆₀具有极端的电输运各向异性，在锥点附近电导的轴向极化率高达95%。这预示着在体相材料中实现了准一维的狄拉克输运，为克服低维材料在实际应用中带来的组装界面效应提供了天然优势。此外，通过紧束缚模型、k·p模型以及对1,600余种碳异构相的高通量筛选与对称性分析，研究团队揭示了三维半狄拉克态的拓扑相变本质和基本分类，并指出团簇组装晶体的策略能够有效规避传统原子晶体中平庸能带对半狄拉克态输运的干扰。

图3. bco-dC₆₀的电子性质。(a) Γ点附近SD能带的能带结构及其不可约表示。(b) 关键Wyckoff位置的总态密度和投影态密度（TDOS/PDOS）。(c, d) k_x-k_y平面和(e, f) k_z-k_y平面中的3D-SD能带及相应的等能面轮廓。(g) 在三维布里渊区中标注的高对称点；红线表示k_z-k_y平面中由压力诱导的节点线环。

图4. 应变诱导的拓扑相变及bco-dC₆₀中展现的拓扑输运性质。(a) 团簇基的层级模型。基于第一性原理（DFT，红色实线）结果校准的紧束缚能带结构，分别对应(b)原始相（∆_g = 0）、(c) 5% 拉伸应变相（∆_g > 0）和(d) −5%静水应变（∆_g < 0）。(e) 对应的k_y-k_z平面中的节线环。(f) 与节线环相关的鼓膜状的表面态。(g) 方向分辨的电导率（σ_xx, σ_yy 和σ_zz），插图为任意方向上的各向异性电导率。(h) 轴向极化率η_x，展示了在1.051-1.116 eV能量窗口内的准一维狄拉克输运（见插图）。

相关研究工作得到了国家自然科学基金和内蒙古杰出青年基金项目的大力资助。

（供稿：科学技术处     编辑：武涛      审核：李文娟     终审：阿茹娜）