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类一维层状单质半导体中的优异物性

发布日期:2021-10-03 00:38浏览次数:
本文摘要:石墨烯和黑磷等单质二维材料展现了极好的物理化学性质,并被视作未来电子、光电等器件核心功能单元的最重要最合适材料。少层黑磷是首个单质二维半单体,并具备多种出色特性。 然而,其空气稳定性佳,在繁复的材料制取和器件加工过程,以及后继苛刻的用于环境中更容易因被水解而过热。因此,寻找一种不仅有出众物理、化学性质,而且具备较好空气稳定性,并可以通过便利方法制取的单质二维半导体沦为了一个新的挑战性问题。

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石墨烯和黑磷等单质二维材料展现了极好的物理化学性质,并被视作未来电子、光电等器件核心功能单元的最重要最合适材料。少层黑磷是首个单质二维半单体,并具备多种出色特性。

然而,其空气稳定性佳,在繁复的材料制取和器件加工过程,以及后继苛刻的用于环境中更容易因被水解而过热。因此,寻找一种不仅有出众物理、化学性质,而且具备较好空气稳定性,并可以通过便利方法制取的单质二维半导体沦为了一个新的挑战性问题。

【成果概述】近日,中国人民大学物理学系季威教授研究组与香港理工大学柴扬教授在ScienceBulletin上公开发表了为题“Few-layerTellurium:one-dimensional-likelayeredelementarysemiconductorwithstrikingphysicalproperties”的论文。该文系统研究了一种新型单质二维半导体α相少层碲的电学、力学、光学等性质。他们通过第一性原理计算出来考虑到了三种较少层碲的结构稳定性,最后确认α相少层碲就是指双层到体相的最平稳互为。

在此基础上,他们找到在少层碲的层间和层内非共价方向上不存在一种类共价碲准键(covalent-likequasi-bonding),其本质与黑磷和Pt族过渡性金属硫族化合物中找到的层间类共价准键类似于,并造成较少层碲具备诸多特异的物理性质。理论预测找到,该材料具备从0.31eV(体互为)到1.17eV(双层)的层数倚赖带上隙、在层内非共价方向具备105cm2/Vs的出现异常低空穴迁移率(大约低于黑磷1-2个数量级)、墨西哥帽式(M型)的价带覆以形状以及明显的双层到体相的导带底/价带覆以演进关系、新奇的层间剪切和排便模振动力常数数值交错和模式混合、小于20%的理想强度、在近红外和红外线区域将近各向同性的强光吸取(单层平均值红外线吸收率可约~9%)以及近高于黑磷的空气稳定性。

同时,较少层碲可以利用溶液化学方法制备,具备便利、较慢、低成本、大尺寸制取等优势。图1.少层单质碲同素异形体的结构示意图及稳定性较为(a)碲单质体相最平稳晶体结构(α互为);(b)-(d)2层α互为碲的顶视图及侧视图;(e),(f)2层β互为碲的顶视图及侧视图;(g),(h)2层γ互为碲的顶视图及侧视图;(i)α、β和γ互为碲随层数热稳定性变化曲线;(j)-(k)α互为碲随层数两个方向的晶格常数(b和c),结合能和层间距的变化曲线。图2.少层α互为单质碲的电子能带结构(a),(b)体相及少层α互为碲的布里渊区示意图;(c),(d)体相及2层α互为碲的能带结构;(e)-(l)2、4、6层和体相α互为碲低于导带和最高价带上能量面示意图。

图3.少层α互为碲的层间相互作用(a),(b)α互为碲带上隙和导带底、价带覆以能量随层数的变化图;(c)-(f)双碲原子链及2层α互为碲的差分电荷密度;(g)-(i)2层α互为碲将近价带覆以的成键态(图2(d)右图电子态VB4)和反键态(电子态VB1)可视化波函数的空间分布图(沿xz平面和yz平面)。


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