Nature评论曾海波团队新型二维半导体研究进展——砷烯、锑烯展现独特半导体特性

       近日,南京理工大学纳米光电材料研究所曾海波团队,在全新二维半导体设计方面取得重要突破,相关成果以 “Atomically Thin Arsenene and Antimonene: Semimetal–Semiconductor and Indirect–Direct Band-Gap Transitions” 为题在线发表在《德国应用化学》上,并被该期刊选为“热点文章(Hot Paper)”、期刊封面。该期刊是化学与材料等学科顶尖期刊,影响因子为11.3。第一作者为张胜利博士,曾海波教授为通讯作者。

        近年来,原子级厚度二维晶体材料,如石墨烯、硅烯和锗烯等,展现出卓越的性能,被广泛应用于信息、能源器件。然而,这些碳族二维晶体也暴露了严重的弱点——零带隙,严重影响了它们在电子、光电子器件中的应用。此外,硫化物二维晶体带隙小于2.0 eV,而氮化硼白石墨烯带隙则高达6.0 eV。显然,二维半导体的带隙、响应光谱波段存在严重缺失,影响了相应二维半导体器件的发展。

        曾海波课题组设计了具有高稳定性、宽带隙的新型二维单元素半导体——单层砷烯(Arsenene)和锑烯(Antimonene)。首先,基于第一性原理计算,这两类二维材料的稳定性非常引人注目。一方面,所选取的母体晶体结构是它们最稳定的构型,其层间作用力仅与六方氮化硼接近。另一方面,砷烯和锑烯中每个原子遵循八电子配位,自我调整形成了高稳定的波浪状二维结构,相应的声子谱完全没有虚频。因此,实验上很可能通过机械剥离、液相剥离、气相生长等制备这两类材料。其次,这两类二维材料展现了具有重要应用前景的电子结构转变。砷和锑的层状块材是典型的半金属,而减薄到一个原子厚度后,它们转变成了间接带隙半导体,带隙值分别为2.49和2.28 eV,正好对应于蓝光光谱范围。此外,加载微小的双轴应变,就可实现从间接到直接带隙的转变,以及带隙大小的调控。这些电子结构结果表明,砷烯和锑烯在蓝光探测器、LED、激光器方面具有应用潜力,甚至可用于柔性透明力-电、力-光传感器。

        自2004年发现石墨烯后,研究人员主要集中在IV碳族二维体系,忽视了V氮族。该工作设计的砷烯锑烯,及近两年发展迅猛的磷烯,有可能共同掀起氮族二维半导体实验和理论研究的热潮。该工作在线三天内即获得了国际同行的广泛兴趣。一方面,从arXiv预印本文库获悉,该工作已经被爱尔兰都柏林圣三一学院Jonathan N. Coleman教授正面引用。另一方面,该工作已经被NanoWerk、ChemistryViews等国际学术媒体进行了亮点报道。

        以上研究得到了科技部国家重大科学研究计划、基金委优秀青年基金、江苏省纳米材料与装备协同创新中心的资助。

111

 

Speak Your Mind