近日，南京理工大學(xué)納米光電材料研究所曾海波團隊，與美國University of Puerto Rico陳中方教授、南京師范大學(xué)李亞飛教授合作，在全新二維半導(dǎo)體設(shè)計方面取得重要突破。

        近年來，原子級厚度二維晶體材料，如石墨烯、硅烯和鍺烯等，展現(xiàn)出卓越的性能，被廣泛應(yīng)用于信息、能源器件。然而，這些碳族二維晶體也暴露了嚴(yán)重的弱點——零帶隙，嚴(yán)重影響了它們在電子、光電子器件中的應(yīng)用。此外，硫化物二維晶體帶隙小于2.0 eV，而氮化硼白石墨烯帶隙則高達6.0 eV。顯然，二維半導(dǎo)體的帶隙、響應(yīng)光譜波段存在嚴(yán)重缺失，影響了相應(yīng)器件的發(fā)展。
　　曾海波課題組設(shè)計了具有高穩(wěn)定性、寬帶隙的新型二維單元素半導(dǎo)體——單層砷烯（Arsenene）和銻烯（Antimonene）。首先，這兩類二維材料的穩(wěn)定性非常引人注目。一方面，所選取的母體晶體結(jié)構(gòu)是它們最穩(wěn)定的構(gòu)型，其層間作用力僅與六方氮化硼接近。另一方面，砷烯和銻烯中每個原子遵循八電子配位，自我調(diào)整形成了高穩(wěn)定的波浪狀二維結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的聲子譜完全沒有虛頻。因此，實驗上很可能通過機械剝離、液相剝離、氣相生長等制備這兩類材料。其次，這兩類二維材料展現(xiàn)了具有重要應(yīng)用前景的電子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。砷和銻的層狀塊材是典型的半金屬。而第一性原理計算結(jié)果顯示，當(dāng)減薄到一個原子厚度后，它們轉(zhuǎn)變成了間接帶隙半導(dǎo)體，帶隙值分別為2.49和2.28eV，正好對應(yīng)于藍光光譜范圍。此外，加載微小的雙軸應(yīng)變，就可實現(xiàn)從間接到直接帶隙的轉(zhuǎn)變，以及帶隙大小的調(diào)控。這些電子結(jié)構(gòu)特征表明，砷烯和銻烯在藍光探測器、LED、激光器方面具有應(yīng)用潛力，甚至可用于柔性透明力-電、力-光傳感器。
　　自2004年發(fā)現(xiàn)石墨烯后，研究人員主要集中在IV碳族二維體系，忽視了V氮族。該工作設(shè)計的砷烯銻烯，及近兩年發(fā)展迅猛的磷烯，有可能共同掀起氮族二維半導(dǎo)體實驗和理論研究的熱潮。該工作在線三天內(nèi)即獲得了國際同行的強烈關(guān)注。一方面，從arXiv預(yù)印本文庫獲悉，該工作已經(jīng)被愛爾蘭都柏林圣三一學(xué)院JonathanN. Coleman教授正面引用。另一方面，該工作已經(jīng)被NanoWerk、ChemistryViews、MaterialsViews、Nature等國際學(xué)術(shù)媒體進行了亮點報道。
　　以上研究得到了科技部國家重大科學(xué)研究計劃、基金委優(yōu)秀青年基金、江蘇省納米材料與裝備協(xié)同創(chuàng)新中心的資助。