石墨烯和磷烯是兩種具有不同結(jié)構(gòu)和奇特性質(zhì)的二維材料，其性質(zhì)分別源于石墨烯中的sp²鍵和磷烯中的非平面sp³鍵。碳或磷原子的三配位構(gòu)型有利于平面結(jié)構(gòu)的形成。因此，探索是否有可能形成能夠使石墨烯和磷烯優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的穩(wěn)定磷化硅(PC)單層是十分有意義的。實(shí)際上，從理論上已經(jīng)提出了幾種表現(xiàn)出金屬、半金屬和直接/間接帶隙半導(dǎo)體特征的PC單層。多種不同結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)可歸因于sp²和sp³鍵之間的競(jìng)爭(zhēng)。隨后，通過(guò)將碳原子摻雜到磷烯中的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了預(yù)測(cè)的α₁-PC相。值得注意的是，含有少層PC的 FET具有高達(dá)1995 cm²·V^-1·s^-1的空穴遷移率，與理論計(jì)算一致。此外，由少層PC制成的紅外光電晶體管表現(xiàn)出良好的響應(yīng)性和探測(cè)性能?？紤]到P和C原子之間的電子接受能力、不同的P-C構(gòu)型以及其化合物中的強(qiáng)P-C鍵，很有可能形成具有優(yōu)越性能的二維 P_xC_y材料。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，東北師范大學(xué)劉益春教授、楊國(guó)春教授(共同通訊作者)等利用第一性原理無(wú)偏結(jié)構(gòu)搜索計(jì)算探索具有功能特性的新型類石墨烯PC₆單層，并在J. Am. Chem. Soc.上發(fā)表了題為“Two-Dimensional PC₆?with Direct-Band Gap and Anisotropic Carrier Mobility”的研究論文。PC₆單層是直接帶隙半導(dǎo)體，帶隙值為0.84 eV，具有極高的本征導(dǎo)電性和各向異性特征(即沿扶手椅鏈方向的電子遷移率為2.94 × 10⁵?cm²·V^-1·s^-1，而沿“Z”字形鏈方向的空穴遷移率達(dá)到1.64 × 10⁵?cm²·V^-1·s^-1)，與石墨烯相當(dāng)。另一方面，PC₆在300至2000 nm的寬帶中具有高吸收系數(shù)(10⁵?cm^-1)。另外，其在5 %的雙軸應(yīng)變以內(nèi)仍可保持直接帶隙特征。上述優(yōu)越性質(zhì)使預(yù)測(cè)的PC₆單層有望在電子和光伏器件中得到應(yīng)用。

【圖文簡(jiǎn)介】

圖1?PC₆單層的原子結(jié)構(gòu)

a, b)預(yù)測(cè)PC₆單層的頂視圖和側(cè)視圖，黑色虛線表示晶胞；

c) PC6單層中的基本構(gòu)筑單元(P₆C₁₈)；

d, f, g) PC₆單層的電子局域函數(shù)(ELF)圖像，PC₆中C₆環(huán)中的化學(xué)鍵與石墨烯(d和e)中的化學(xué)鍵相同，并且在P原子周圍出現(xiàn)孤電子對(duì)(g)；

e) 石墨烯的電子局域函數(shù)(ELF)圖像。

圖2 PC₆單層的能帶結(jié)構(gòu)

a) 用HSE06方法計(jì)算PC₆單層的電子能帶結(jié)構(gòu)，水平虛線表示費(fèi)米能級(jí)；

b) C₆環(huán)中的C原子和PC₃單元中的P和C原子的PDOS；

c,d) VBM分解電荷密度的頂視圖和側(cè)視圖；

e,f) CBM分解電荷密度的頂視圖和側(cè)視圖。

圖3 PC₆單層的面內(nèi)吸收系數(shù)

BSE方法計(jì)算的PC₆單層的面內(nèi)吸收系數(shù)，黃色背景為參考的太陽(yáng)光譜輻射。便于比較，石墨烯、二硫化鉬、磷烯、PC單層和體相硅的吸收譜也包含在內(nèi)。

【小結(jié)】

綜上所述，作者應(yīng)用第一性原理集群智能結(jié)構(gòu)搜索計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)迄今尚未發(fā)現(xiàn)的褶皺類石墨烯半導(dǎo)體PC₆單層，其直接帶隙為0.84 eV，具有高載流子遷移率和各向異性特征，可有效地隨應(yīng)變調(diào)節(jié)。由于其獨(dú)特的鍵排列(即C-C sp²和P-C sp³雜化)，PC₆單層表現(xiàn)出高內(nèi)聚能和出色的熱穩(wěn)定性，為其實(shí)驗(yàn)合成提供了很高的可能性。上述優(yōu)越性質(zhì)使預(yù)測(cè)的PC₆單層有望在光電子器件中得到應(yīng)用。

文獻(xiàn)鏈接：Two-Dimensional PC₆?with Direct-Band Gap and Anisotropic Carrier Mobility?(J. Am. Chem. Soc., 2019, DOI: 10.1021/jacs.8b11350)

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