具有强层间相互作用和高迁移率的新型贵金属硫属化物

二维层状材料具有原子层厚度和表面无悬挂键等特点,被视为纳米电子学最有希望的材料之一。近年来科学家们高度关注的石墨烯,过渡金属硫属化物,黑磷等二维半导体材料不断取得新进展,为找寻高性能的纳米电子学和光电子学材料打下坚实的基础。此前人们认为在黑磷中,层间电子耦合引起电子结构的强烈层数依赖是其特有的性质。然而,近来发现的一类全新化合物,10B族的贵金属硫属化合物中普遍存在显著层数依赖的电子结构特性和特殊的层间振动耦合特性。同时,该类材料在室温下有着较高的电子迁移率,并在空气中具有很好的稳定性,是相当有潜力的新兴二维材料。

香港理工大学应用物理学系柴扬教授课题组,中国人民大学物理学系季威教授研究组与新加坡南洋理工大学刘政教授、南京大学王欣然教授合作,通过实验测量和理论预测对贵金属硫族化合物的代表材料二硫化铂(PtS2)和二硒化铂(PtSe2)进行了系列研究。研究发现不仅PtS2的间接带隙在1.6-1.8 eV (单层)到0.25-0.48 eV (体相)之间可调(如图a),单层到体相PtSe2更是发生了从具有1.17 eV带隙的半导体到半金属的转变。该类材料显示出如此强的层数依赖的电子结构特性,主要是由于Pt上 d 轨道电子富集,使得层内Pt-S (Se)间采用八面体构型,S (Se)原子中留下的未参与杂化的 pz 轨道,产生层间轨道交叠引起的。同时,这样强的杂化作用导致了材料的剪切模和呼吸模的振动频率相近(如图b),可认为这两种材料具有各项同性的振动性质,这在二维材料中是相当特别的性质。同时,研究还讨论了从 d 轨道电子数目和轨道能量差异出发,预测这类材料层间相互作用和层数依赖物性的一般原则。

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接下来,上述合作团队进一步研究了这种新奇的二维材料的电学性质和稳定性,发现该类材料具有高的电子迁移率并在空气中能保持很好的结构稳定性。多层 PtS2 和 PtSe2 的迁移率在室温下分别能达到 ~100 cm2V-1s-1 和 210 cm2V-1s-1, 该数值与多层黑磷的迁移率相当且高于一般过渡金属硫族化合物(如图c)。同时,与多层黑磷材料在空气中性能退化严重不同,这类材料不易被 O2 氧化且疏水,在空气中放置较长时间(~1年,如图d)样品形貌亦无明显退化。这些优良的性质为该类材料的应用奠定了坚实基础。

这一系列研究成果先后以“Extraordinarily Strong Interlayer Interaction in 2D Layered PtS2”(DOI: 10.1002/adma.201504572)和“High-Electron-Mobility and Air-Stable 2D Layered PtSe2 FETs”(DOI: 10.1002/adma.201604230)题发表在Advanced Materials上,香港理工大学学生赵昱达和中国人民大学学生乔婧思为两篇文章的共同第一作者。该系列工作不仅激发了一类新材料及其物理特性的研究,深化了对二维材料层间耦合的认识。同时发现了该类材料的高电子迁移率和优良的结构稳定性,使其成为相当有潜力的纳米电子学和光电子学材料。

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