Advanced Function Materials: 溶液法轻捷功能化二维碳氮化物: 铁电/多铁,谷电子学,光伏性质的赋予

自石墨烯问世以来,各种各样二维材料被提出和研究,基于二维材料的电子器件被视为延续“摩尔定律”的希望。其中类石墨层状碳氮化物(C3N4, C2N, CN)亦受到广泛关注,目前对其研究主要集中在催化和能量转化方面。但是这类材料拥有较宽的带隙,对其在光催化、能量转化、纳米电子器件方面的应用造成了阻碍。过去的很多研究利用其表面周期性分布的纳米孔(半径2~3),试图使每个孔容纳一个金属原子来改善其催化性能和电子结构。然而金属一般具有很大的结合能,使金属原子均匀分布并阻止它们在表面形成团簇是一个巨大的挑战。另外,金属原子的引入会使得层与层间成键,使其难以剥离出单层。

近日,华中科技大学吴梦昊教授课题组和内布拉斯加大学林肯分校曾晓成教授合作,通过第一性原理计算提出:有可能采用金属氯化物溶液浸润二维碳氮化物直接对其进行快速官能团化,使每个纳米孔自发嵌入一单位MCl2/ MCl3与通常采用的高温离子源扩散或者利用加速器进行离子注入的官能团化或掺杂方法相比,新的溶液浸润方法效率更高,成本更低,且能通过改变溶液浓度调节材料官能团化的密度。此外,可供选择的多种官能团亦给原本的二维碳氮化物带来了诸如铁电/多铁,谷电子学,光伏方面的新性质:比如有些3d离子可打破时间和空间反演对称性,赋予其磁性和铁电性;铁电极化翻转打破能谷的简并且可以由电场调控,这种能谷操纵的方式具有非易失性,与通常研究的依赖强自旋轨道耦合的自旋-能谷锁定机制不同;高效可控官能团也可以调控材料的带隙以及改善其光学性能,如果控制官能团的浓度梯度也可导致材料的带隙亦呈现出梯度变化,从而可拓宽材料的光吸收谱,同时堆叠形成的能带对齐方式也有利于分开光致电子和空穴,这些都使得在光伏应用中材料的能量转化效率大大提升。在同一层二维C2N上,通过不同种类的溶液浸润,还可以得到P型掺杂区、N型掺杂区、铁磁区和铁电区,这种媲美于硅晶片的集成便捷性在未来的纳米电子学中拥有很大的应用潜力。

该研究成果近期发表于Adv. Funct. Mater. (DOI: 10.1002/adfm.201905752)。文章第一作者为吴梦昊课题组博士生黎磊,通讯作者为吴梦昊和曾晓成教授。该研究得到国家自然科学基金(No. 21573084)对吴梦昊小组的支持。