新型二维半导体设计研究取得突破

时间：2016-02-20

	


	 


	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》（Angew. Chem. In. Ed., 2015, DOI: 10.1002/anie.201411246）上，并被选为“热点文章(Hot Paper)”、期刊封面。该期刊由德国Wiley公司出版，是化学与材料等学科良好期刊，影响因子为11.3。**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**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，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)和烯(Antimonene)。首先，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较稳定的构型，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。砷和的层状块材是典型的半金属。而**性原理计算结果显示，当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。这些电子结构特征表明，砷烯和烯在蓝光探测器、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**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、Nature等国际学术媒体进行了亮点报道。

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看二维材料王国开疆拓土
多个类型的平面材料堆砌在一起，可能展现每个的较佳性能。图片来源：H. Terrones et al 物理学家习惯使用他们所能想到的较好的词语来形容石墨烯。这丝薄的单原子厚度的碳是灵活、透明的，比钢强、比铜导电好，虽然非常薄，但它实际上是二维材料。在2004年被分离出来后不久，石墨烯就成为全世界研究人员痴迷的对象。不过，对Andras Kis而言并非如此。Kis表示，与石墨烯一样不可思议的是，“
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石墨烯及二维材料的解理取得重大突破－－壁虎爪子的启示
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