2015砷烯锑烯二维半导体.pdf

砷烯、锑烯展现独特半导体特性

近日，南京理工大学纳米光电材料研究所曾海波团队(研究所网页：http://ion.njust-smse.com/)，与美国Universityof Puerto Rico陈中方教授、南京师范大学李亚飞教授合作，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 Arseneneand Antimonene: Semimetal–Semiconductor and Indirect–Direct Band-GapTransitions” 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(HotPaper)”、期刊封面。该期刊由德国Wiley公司出版，是化学与材料等学科顶尖期刊，影响因子为11.3。第一作者为张胜利博士，曾海波教授为通讯作者。

文章链接为:

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201411246/abstract

   近年来，原子级厚度二维晶体材料，如石墨烯、硅烯和锗烯等，展现出卓越的性能，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，硫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)和锑烯(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最稳定的构型，其层间作用力仅与六方氮化硼接近。另一方面，砷烯和锑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。砷和锑的层状块材是典型的半金属。而第一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2.28eV，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，砷烯和锑烯在蓝光探测器、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。该工作设计的砷烯锑烯，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同行的强烈关注。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JonathanN. Coleman教授正面引用。另一方面，该工作已经被NanoWerk、ChemistryViews、MaterialViews、Nature等国际学术媒体进行了亮点报道，链接如下。

Nature 2015, 517, 246:

http://www.nature.com/nature/journal/v517/n7534/pdf/517246c.pdf

NanoWerk:

       http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=38681.php

ChemistryViews:

http://www.chemistryviews.org/details/ezine/7241602/As_and_Sb_Monolayers_as_2D_Semiconductors.html

MaterialsViews: 

http://www.materialsviewschina.com/2015/01/15239/

以上研究得到了科技部国家重大科学研究计划、基金委优秀青年基金、江苏省纳米材料与装备协同创新中心的资助。

后记：

1，本文在出版过程中得到了ANGEW主编、责任编辑、审稿人，的快速处理，2周即完成。无论他们能否看到，均至以真诚的感谢！尤其感谢审稿人的高度评价！其他国际同行的稿子，相信很快就会出来。

2，如果砷烯锑烯能成为一个新领域，理论上还有许多重要的工作有待开发，比如如何不需要外力、外场就能实现直接带隙？期待有同仁加入共同努力。

3，砷烯锑烯要能成为一个新领域，更为关键的是实验实现，因此后面二维晶体的制备将成为里程碑式工作。我们组和另一个德国组在尝试，但是我们组一直二维晶体制备技术就不高，德国人做事太慢，因此这一工作不大可能出自这两个组，呼唤二维晶体制备高手加入！

 希望这仅仅是个开始！