類一維層狀單質(zhì)半導(dǎo)體中的優(yōu)異物性

石墨烯和黑磷等單質(zhì)二維材料展現(xiàn)出了極佳的物理化學(xué)性質(zhì)，并被視為未來電子、光電等器件核心功能單元的重要備選材料。少層黑磷是首個(gè)單質(zhì)二維半單體，并具有多種優(yōu)異特性。然而，其空氣穩(wěn)定性欠佳，在繁瑣的材料制備和器件加工過程，以及后繼嚴(yán)苛的使用環(huán)境中容易因被氧化而失效。因此，找到一種不僅有出眾物理、化學(xué)性質(zhì)，而且具有良好空氣穩(wěn)定性，并可以通過便捷方法制備的單質(zhì)二維半導(dǎo)體成為了一個(gè)新的挑戰(zhàn)性問題。

【成果簡介】

近日，中國人民大學(xué)物理學(xué)系季威教授研究組與香港理工大學(xué)柴揚(yáng)教授在Science Bulletin上發(fā)表了題為“Few－layer Tellurium： one－dimensional－like layered elementary semiconductor with striking physical properties”的論文。該文系統(tǒng)研究了一種新型單質(zhì)二維半導(dǎo)體α相少層碲的電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)等性質(zhì)。他們通過第一性原理計(jì)算考慮了三種少層碲的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，最終確定α相少層碲是從雙層到體相的最穩(wěn)定相。在此基礎(chǔ)上，他們發(fā)現(xiàn)在少層碲的層間和層內(nèi)非共價(jià)方向上存在一種類共價(jià)碲準(zhǔn)鍵 （covalent－like quasi－bonding），其本質(zhì)與黑磷和Pt族過渡金屬硫族化合物中發(fā)現(xiàn)的層間類共價(jià)準(zhǔn)鍵類似，并導(dǎo)致少層碲具有諸多特異的物理性質(zhì)。理論預(yù)測發(fā)現(xiàn)，該材料具有從0.31 eV （體相）到1.17 eV （雙層）的層數(shù)依賴帶隙、在層內(nèi)非共價(jià)方向具有105 cm2／Vs的異常高空穴遷移率（約高于黑磷1－2個(gè)數(shù)量級）、墨西哥帽式 （M型）的價(jià)帶頂形狀以及顯著的雙層到體相的導(dǎo)帶底／價(jià)帶頂演變關(guān)系、新奇的層間剪切和呼吸模振動力常數(shù)數(shù)值交疊和模式混合、大于20%的理想強(qiáng)度、在近紅外和可見光區(qū)域近各向同性的強(qiáng)光吸收（單層平均可見光吸收率可達(dá)～9%）以及遠(yuǎn)優(yōu)于黑磷的空氣穩(wěn)定性。同時(shí)，少層碲可以利用溶液化學(xué)方法合成，具有方便、快速、低成本、大尺寸制備等優(yōu)勢。

圖1. 少層單質(zhì)碲同素異形體的結(jié)構(gòu)示意圖及穩(wěn)定性比較

圖2.少層α相單質(zhì)碲的電子能帶結(jié)構(gòu)

圖3. 少層α相碲的層間相互作用

圖4. 少層α相碲的光吸收譜

圖5. α相少層單質(zhì)碲的振動性質(zhì)

圖6. 少層α相碲的環(huán)境穩(wěn)定性

小結(jié)

這項(xiàng)研究工作不僅預(yù)言了一種在電子、光電、熱電領(lǐng)域有很強(qiáng)潛在應(yīng)用的鏈狀單質(zhì)二維半導(dǎo)體材料，也把此前只在層間發(fā)現(xiàn)的類共價(jià)準(zhǔn)鍵擴(kuò)展到了層內(nèi)非共價(jià)方向，同時(shí)以該材料為原型討論了一維層狀材料中可能的新奇特性。