近日, 中国科学院重庆绿色智能技术研究院量子信息技术中心团队在以GeSe为代表的IVAVIB大面积单原子层材料制备和能带结构确定, 及其器件测试分析研究中取得最新进展.
目前已有近百种二维材料被人们发现, 包括第四主族单质, 第三和第五主族构成的二元化合物, 金属硫族化合物, 复合氧化物等. 这些发现不仅打破了长久以来二维晶体无法在自然界中稳定存在的说法, 其自身的特性更是呈现出许多新奇的物理现象和电子性质, 如半整数, 分数和分形量子霍尔效应, 高迁移率, 能带结构转变等. IVAVIB单晶二维材料MX (M=Ge,Sn; X=S,Se) 因极高稳定性, 环境友好性, 丰富蕴藏量, 以及从材料结构到性能上与黑磷烯的相似性而受到广泛关注. 基于第一性原理方法对MX的能带结构的计算, 对其从间接带隙到直接带隙的临界层厚, 以及基于其C2v对称结构的压电性能理论预测的研究已多有报道. 但受其脆性影响, 该类型材料难以直接采用物理撕裂法制备得到单原子层材料. 采用化学合成方法, 也难以获得较大面积的单原子层 (大于1微米) . 因此, 对IVAVIB单晶二维材料的研究迄今仍停留在理论预测阶段.
在MX中, GeSe理论上被认为是唯一具有直接带隙的材料, 且该材料的光谱范围预测几乎覆盖了整个太阳光光谱, 这使它在量子光学, 光电探测, 光伏, 电学等领域有巨大的应用潜力. 据此, 重庆研究院量子信息技术中心团队研究发现, 利用单晶硅表面二氧化硅的隔热效果和激光减薄方法, 可以在一定激光功率密度下不断地减薄GeSe的层厚, 直至单原子层. 其减薄机理是激光在GeSe表层产生高热, 由于GeSe材料本身的层状特性, 难以将热量及时传导出去, 导致层厚被不断减薄. 当GeSe的层厚被减薄至单原子层时, 整个SiO2/Si可以被看作热沉而无法继续减薄. 利用此方法, 该团队首次实验制备出了100微米以上的GeSe单原子层材料, 基于荧光谱, 拉曼谱等方法对GeSe单原子层的原子和能带结构进行研究, 并基于第一性原理方法理论印证了实验结果的可靠性. 实验和理论计算表明, GeSe单原子层的荧光谱非常宽, 从可见光波段到近红外波段发现了8个荧光峰, 从间接带隙到直接带隙的转变发生在第三层. 此外, 该团队分别实验制备出了基于GeSe体材料和二维材料的晶体管, 其I-V和光反应性能表明, 二维材料的光敏度是相应体材料的3.3倍, 同时二维材料器件的光反应度也远优于相应体材料器件.
相关研究成果发表在Advanced Functional Materials上. 该研究得到了重庆市基础前沿重大项目, 中科院 '西部之光' 西部青年学者A类项目, 国家自然科学基金面上项目的资助.
