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[交流] 2016年二维材料方面系列新研究成果

http://zs.njust.edu.cn/9f/6c/c4621a106348/page.htm

近日，我校纳米光电材料研究所、格莱特纳米科技研究所、材料科学与工程学院的曾海波教授团队在二维材料的理论设计与光电特性实验研究中取得重要进展，相关研究成果以《Semiconducting Group 15 Monolayers: A Broad Range of Band Gaps and High Carrier Mobilities》、《Near-Infrared Plasmonic 2D Semimetals for Applications in Communication and Biology》为题，于2016年1月分别发表于化学与材料科学国际权威期刊《应用化学》、《先进功能材料》上。这两项工作由南京理工大学、美国University of Puerto Rico、南京师范大学、中科院上海技术物理所、湖北大学、济南大学等单位合作完成，我校材料科学与工程学院讲师张胜利博士、2015级博士研究生朱正峰开展了主要工作。两篇论文通信作者均为曾海波教授。

二维层状半导体材料具有超轻超薄超柔的沟道、较高的迁移率等特点，是后摩尔时代微电子及光电子器件应用所需要的一类重要材料。但目前发现的主要二维材料，包括石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷等，都很难同时满足适当带宽、高迁移率、高稳定性等关键要求。针对这一问题，曾海波团队在新型二维材料理论设计与光电特性方面开展了系统研究。2015年，围绕块体为典型半金属的砷、锑、铋等第五主族材料，该团队设计了二维砷烯与锑烯的原子结构，并预测了其半导体性电子结构(Angew. Chem. In. Ed. 2015, 54, 3112)。

2015年1月15号，《自然》对砷烯与锑烯的光电子应用前景进行了亮点报道后，该方向已经在国际上出现了70余篇研究论文。但是除了带隙能量以外，它们的价带顶能量、导带底能量、迁移率等对将来的器件设计非常关键。最近，该团队系统地探索了第五主族单原子二维材料的以上关键特征，包括磷烯、砷烯、锑烯、铋烯等。结果表明它们的带隙能量涵盖0.36至2.62 eV，对应于从红外到可见的宽光谱响应。价带顶分布于-4.66到-3.05 eV之间，导带底分布于-3.08到-1.22 eV之间。令人兴奋的是，结果表明它们会具有较高的迁移率，尤其是α相砷烯，高达105 cm2V-1s-1，与石墨烯相当，高于目前电子器件经典材料硅，也高于经典光电子材料三五族半导体。这些结果为第五主族单原子二维材料的电子与光电子器件设计提供了关键参数。

另一方面，鉴于生物与通讯应用需要，位于红外波段的局域表面等离子体（LSPR）一直是研究的热点，但是往往需要对贵金属进行复杂的调控才能获得。最近，该团队发现二维半金属材料，比如硫化钛纳米片，具有与红外窗口天然匹配的局域等离子体共振吸收，位于1000至1400 纳米之间。理论模拟表明，这种本征特性正是来源于二维半金属的电子结构、合适的载流子浓度、较高的迁移率。参与合作的湖北大学顾豪爽团队，发现这种与生物窗口匹配的LSPR能够诱导50℃升温，有望应用于癌症的光热治疗。参与合作的中科院上海技术物理研究所胡伟达团队，发现这种LSPR能够显著增强通讯窗口的光探测器性能。这些结果为LSPR的二维效应理解及其在生物与通讯方面的应用提供了重要的基础。

这两项工作表明二维限制效应能让半金属材料出现奇异的转变，有可能使它们变成半导体，而且产生的导带底、价带顶、迁移率、带隙能量等关键参数适合电子与光电子器件应用，也有可能让它们出现与生物及通讯窗口天然匹配的局域表面等离子体光学特性。

该项研究得到了国家重大科学研究计划、国家自然科学基金优秀青年基金、国家自然科学基金青年基金、万人计划青年拔尖人才等项目的资助。

相关文章链接如下：

1)Shengli Zhang, Meiqiu Xie, Fengyu Li, Zhong Yan, Yafei Li, Erjun Kan, Wei Liu, Zhongfang Chen, Haibo Zeng,* Semiconducting Group 15 Monolayers: A Broad Range of Band Gaps and High Carrier Mobilities, Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 1666-1669.

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.201507568/epdf

2)Shengli Zhang, Zhong Yan, Yafei Li, Zhongfang Chen,* Haibo Zeng,* Atomically Thin Arsenene and Antimonene: Semimetal–Semiconductor and Indirect–Direct Band‐Gap Transitions, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 3112-3115.

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201504884/pdf

3)Zhengfeng Zhu, Yousheng Zou, Weida Hu, Yuebin Li, Yu Gu, Bingqiang Cao, Nan Guo, Lin Wang, Jizhong Song, Shengli Zhang, Haoshuang Gu, Haibo Zeng,*Near-Infrared Plasmonic 2D Semimetals for Applications in Communication and Biology, Adv. Funct. Mater. DOI: 10.1002/adfm.201504884. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201504884/pdf

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