季威&柴揚Sci. Bull.：類一維層狀單質半導體中的優異物性

【引言】

石墨烯和黑磷等單質二維材料展現出了極佳的物理化學性質，并被視為未來電子、光電等器件核心功能單元的重要備選材料。少層黑磷是首個單質二維半單體，并具有多種優異特性。然而，其空氣穩定性欠佳，在繁瑣的材料制備和器件加工過程，以及后繼嚴苛的使用環境中容易因被氧化而失效。因此，找到一種不僅有出眾物理、化學性質，而且具有良好空氣穩定性，并可以通過便捷方法制備的單質二維半導體成為了一個新的挑戰性問題。

【成果簡介】

近日，中國人民大學物理學系季威教授研究組與香港理工大學柴揚教授在Science Bulletin上發表了題為“Few-layer Tellurium: one-dimensional-like layered elementary semiconductor with striking physical properties”的論文。該文系統研究了一種新型單質二維半導體α相少層碲的電學、力學、光學等性質。他們通過第一性原理計算考慮了三種少層碲的結構穩定性，最終確定α相少層碲是從雙層到體相的最穩定相。在此基礎上，他們發現在少層碲的層間和層內非共價方向上存在一種類共價碲準鍵 (covalent-like quasi-bonding)，其本質與黑磷和Pt族過渡金屬硫族化合物中發現的層間類共價準鍵類似，并導致少層碲具有諸多特異的物理性質。理論預測發現，該材料具有從0.31 eV (體相)到1.17 eV (雙層)的層數依賴帶隙、在層內非共價方向具有10⁵ cm²/Vs的異常高空穴遷移率（約高于黑磷1-2個數量級）、墨西哥帽式 (M型)的價帶頂形狀以及顯著的雙層到體相的導帶底/價帶頂演變關系、新奇的層間剪切和呼吸模振動力常數數值交疊和模式混合、大于20%的理想強度、在近紅外和可見光區域近各向同性的強光吸收（單層平均可見光吸收率可達~9%）以及遠優于黑磷的空氣穩定性。同時，少層碲可以利用溶液化學方法合成，具有方便、快速、低成本、大尺寸制備等優勢。

【圖文導讀】

圖1. 少層單質碲同素異形體的結構示意圖及穩定性比較

(a) 碲單質體相最穩定晶體結構 (α相)；

(b) - (d) 2層α相碲的頂視圖及側視圖；

(e), (f) 2層β相碲的頂視圖及側視圖；

(g), (h) 2層γ相碲的頂視圖及側視圖；

(i) α、β和γ相碲隨層數熱穩定性變化曲線；

(j) - (k) α相碲隨層數兩個方向的晶格常數(b和c)，結合能和層間距的變化曲線。

圖2.少層α相單質碲的電子能帶結構

(a), (b) 體相及少層α相碲的布里淵區示意圖；

(c), (d) 體相及2層α相碲的能帶結構；

(e) - (l) 2、4、6層和體相α相碲最低導帶和最高價帶能量面示意圖。

圖3. 少層α相碲的層間相互作用

(a), (b)α相碲帶隙和導帶底、價帶頂能量隨層數的變化圖；

(c) - (f) 雙碲原子鏈及2層α相碲的差分電荷密度；

(g) - (i) 2層α相碲近價帶頂的成鍵態（圖2（d）所示電子態VB4）和反鍵態（電子態VB1) 可視化波函數的空間分布圖（沿xz平面和yz平面）。

圖4. 少層α相碲的光吸收譜

(a), (b) 2和6層α相碲在極化方向沿著x、y、z的入射光照射下的單層平均光吸收率；

(c) 2到6層及體相α相碲在極化方向沿著y的入射光照射下的單層平均光吸收率。

圖5. α相少層單質碲的振動性質

(a) 2層α相碲的拉曼強度；

(b) - (d) 2層α相碲中拉曼強度最高的三個模式 , 和 的振動模式示意圖；

(e) 模式 , 和 在布里淵區原點的振動頻率隨α相碲層數增加出現劈裂并伴隨藍移/紅移現象；

(f) 剪切模式S_y在布里淵區原點振動頻率隨層數增加劈裂；

(g) α相碲平均層間力常數隨層數變化曲線圖。

圖6. 少層α相碲的環境穩定性

(a), (b) O₂和H₂O在2層α相碲上的物理吸附構型；

(c) - (f) 2層α相碲被氧化的兩種反應路徑I和II的過渡態(TS)及末態(FS)構型；

(g), (h) 反應路徑I和II的能量分布曲線圖。

【小結】

這項研究工作不僅預言了一種在電子、光電、熱電領域有很強潛在應用的鏈狀單質二維半導體材料，也把此前只在層間發現的類共價準鍵擴展到了層內非共價方向，同時以該材料為原型討論了一維層狀材料中可能的新奇特性。

文獻鏈接：Few-layer Tellurium: one-dimensional-like layered elementary semiconductor with striking physical properties（Sci. Bull., 2018, DOI:10.1016/j.scib.2018.01.010）

本文由Science Bulletin編輯部供稿，材料牛編輯整理。

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