淺談類一維層狀單質(zhì)半導體中的優(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)二維半導體成為了一個新的挑戰(zhàn)性問題。

【成果簡介】

近日，中國人民大學物理學系季威教授研究組與香港理工大學柴揚教授在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)二維半導體α相少層碲的電學、力學、光學等性質(zhì)。他們通過第一性原理計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)非共價方向上存在一種類共價碲準鍵 （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)的層間類共價準鍵類似，并導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)非共價方向具有105 cm2／Vs的異常高空穴遷移率（約高于黑磷1－2個數(shù)量級）、墨西哥帽式 （M型）的價帶頂形狀以及顯著的雙層到體相的導帶底／價帶頂演變關(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％的理想強度、在近紅外和可見光區(qū)域近各向同性的強光吸收（單層平均可見光吸收率可達～9％）以及遠優(yōu)于黑磷的空氣穩(wěn)定性。同時，少層碲可以利用溶液化學方法合成，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

（a） 碲單質(zhì)體相最穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu) （α相）；

（b） － （d） 2層α相碲的頂視圖及側(cè)視圖；

（e）， （f） 2層β相碲的頂視圖及側(cè)視圖；

（g）， （h） 2層γ相碲的頂視圖及側(cè)視圖；

（i） α、β和γ相碲隨層數(shù)熱穩(wěn)定性變化曲線；

（j） － （k） α相碲隨層數(shù)兩個方向的晶格常數(shù)（b和c），結(jié)合能和層間距的變化曲線。

圖2．少層α相單質(zhì)碲的電子能帶結(jié)構(gòu)

（a）， （b） 體相及少層α相碲的布里淵區(qū)示意圖；

（c）， （d） 體相及2層α相碲的能帶結(jié)構(gòu)；

（e） － （l） 2、4、6層和體相α相碲最低導帶和最高價帶能量面示意圖。

圖3． 少層α相碲的層間相互作用

（a）， （b）α相碲帶隙和導帶底、價帶頂能量隨層數(shù)的變化圖；

（c） － （f） 雙碲原子鏈及2層α相碲的差分電荷密度；

（g） － （i） 2層α相碲近價帶頂?shù)某涉I態(tài)（圖2（d）所示電子態(tài)VB4）和反鍵態(tài)（電子態(tài)VB1） 可視化波函數(shù)的空間分布圖（沿xz平面和yz平面）。