近日, 中國科學院重慶綠色智能技術研究院量子資訊技術中心團隊在以GeSe為代表的IVAVIB大面積單原子層材料製備和能帶結構確定, 及其器件測試分析研究中取得最新進展.
目前已有近百種二維材料被人們發現, 包括第四主族單質, 第三和第五主族構成的二元化合物, 金屬硫族化合物, 複合氧化物等. 這些發現不僅打破了長久以來二維晶體無法在自然界中穩定存在的說法, 其自身的特性更是呈現出許多新奇的物理現象和電子性質, 如半整數, 分數和分形量子霍爾效應, 高遷移率, 能帶結構轉變等. IVAVIB單晶二維材料MX (M=Ge,Sn; X=S,Se) 因極高穩定性, 環境友好性, 豐富蘊藏量, 以及從材料結構到性能上與黑磷烯的相似性而受到廣泛關注. 基於第一性原理方法對MX的能帶結構的計算, 對其從間接帶隙到直接帶隙的臨界層厚, 以及基於其C2v對稱結構的壓電性能理論預測的研究已多有報道. 但受其脆性影響, 該類型材料難以直接採用物理撕裂法製備得到單原子層材料. 採用化學合成方法, 也難以獲得較大面積的單原子層 (大於1微米) . 因此, 對IVAVIB單晶二維材料的研究迄今仍停留在理論預測階段.
在MX中, GeSe理論上被認為是唯一具有直接帶隙的材料, 且該材料的光譜範圍預測幾乎覆蓋了整個太陽光光譜, 這使它在量子光學, 光電探測, 光伏, 電學等領域有巨大的應用潛力. 據此, 重慶研究院量子資訊技術中心團隊研究發現, 利用單晶矽表面二氧化矽的隔熱效果和雷射減薄方法, 可以在一定雷射功率密度下不斷地減薄GeSe的層厚, 直至單原子層. 其減薄機理是雷射在GeSe表層產生高熱, 由於GeSe材料本身的層狀特性, 難以將熱量及時傳導出去, 導致層厚被不斷減薄. 當GeSe的層厚被減薄至單原子層時, 整個SiO2/Si可以被看作熱沉而無法繼續減薄. 利用此方法, 該團隊首次實驗製備出了100微米以上的GeSe單原子層材料, 基於熒光譜, 拉曼譜等方法對GeSe單原子層的原子和能帶結構進行研究, 並基於第一性原理方法理論印證了實驗結果的可靠性. 實驗和理論計算表明, GeSe單原子層的熒光譜非常寬, 從可見光波段到近紅外波段發現了8個熒光峰, 從間接帶隙到直接帶隙的轉變發生在第三層. 此外, 該團隊分別實驗製備出了基於GeSe體材料和二維材料的晶體管, 其I-V和光反應性能表明, 二維材料的光敏度是相應體材料的3.3倍, 同時二維材料器件的光反應度也遠優於相應體材料器件.
相關研究成果發表在Advanced Functional Materials上. 該研究得到了重慶市基礎前沿重大項目, 中科院 '西部之光' 西部青年學者A類項目, 國家自然科學基金面上項目的資助.
