東北師大劉益春&楊國春J. Am. Chem. Soc. : 具有直接帶隙和各向異性載流子遷移率的二維PC6材料

【引言】

石墨烯和磷烯是兩種具有不同結構和奇特性質的二維材料，其性質分別源于石墨烯中的sp²鍵和磷烯中的非平面sp³鍵。碳或磷原子的三配位構型有利于平面結構的形成。因此，探索是否有可能形成能夠使石墨烯和磷烯優勢互補的穩定磷化硅(PC)單層是十分有意義的。實際上，從理論上已經提出了幾種表現出金屬、半金屬和直接/間接帶隙半導體特征的PC單層。多種不同結構的出現可歸因于sp²和sp³鍵之間的競爭。隨后，通過將碳原子摻雜到磷烯中的實驗證實了預測的α₁-PC相。值得注意的是，含有少層PC的 FET具有高達1995 cm²·V^-1·s^-1的空穴遷移率，與理論計算一致。此外，由少層PC制成的紅外光電晶體管表現出良好的響應性和探測性能。考慮到P和C原子之間的電子接受能力、不同的P-C構型以及其化合物中的強P-C鍵，很有可能形成具有優越性能的二維 P_xC_y材料。

【成果簡介】

近日，東北師范大學劉益春教授、楊國春教授(共同通訊作者)等利用第一性原理無偏結構搜索計算探索具有功能特性的新型類石墨烯PC₆單層，并在J. Am. Chem. Soc.上發表了題為“Two-Dimensional PC₆ with Direct-Band Gap and Anisotropic Carrier Mobility”的研究論文。PC₆單層是直接帶隙半導體，帶隙值為0.84 eV，具有極高的本征導電性和各向異性特征(即沿扶手椅鏈方向的電子遷移率為2.94 × 10⁵ cm²·V^-1·s^-1，而沿“Z”字形鏈方向的空穴遷移率達到1.64 × 10⁵ cm²·V^-1·s^-1)，與石墨烯相當。另一方面，PC₆在300至2000 nm的寬帶中具有高吸收系數(10⁵ cm^-1)。另外，其在5 %的雙軸應變以內仍可保持直接帶隙特征。上述優越性質使預測的PC₆單層有望在電子和光伏器件中得到應用。

【圖文簡介】
圖1 PC₆單層的原子結構

a, b)預測PC₆單層的頂視圖和側視圖，黑色虛線表示晶胞；
c) PC6單層中的基本構筑單元(P₆C₁₈)；
d, f, g) PC₆單層的電子局域函數(ELF)圖像，PC₆中C₆環中的化學鍵與石墨烯(d和e)中的化學鍵相同，并且在P原子周圍出現孤電子對(g)；
e) 石墨烯的電子局域函數(ELF)圖像。

圖2 PC₆單層的能帶結構

a) 用HSE06方法計算PC₆單層的電子能帶結構，水平虛線表示費米能級；
b) C₆環中的C原子和PC₃單元中的P和C原子的PDOS；
c,d) VBM分解電荷密度的頂視圖和側視圖；
e,f) CBM分解電荷密度的頂視圖和側視圖。

圖3 PC₆單層的面內吸收系數

BSE方法計算的PC₆單層的面內吸收系數，黃色背景為參考的太陽光譜輻射。便于比較，石墨烯、二硫化鉬、磷烯、PC單層和體相硅的吸收譜也包含在內。

【小結】

綜上所述，作者應用第一性原理集群智能結構搜索計算來預測迄今尚未發現的褶皺類石墨烯半導體PC₆單層，其直接帶隙為0.84 eV，具有高載流子遷移率和各向異性特征，可有效地隨應變調節。由于其獨特的鍵排列(即C-C sp²和P-C sp³雜化)，PC₆單層表現出高內聚能和出色的熱穩定性，為其實驗合成提供了很高的可能性。上述優越性質使預測的PC₆單層有望在光電子器件中得到應用。

文獻鏈接：Two-Dimensional PC₆ with Direct-Band Gap and Anisotropic Carrier Mobility?(J. Am. Chem. Soc., 2019, DOI: 10.1021/jacs.8b11350)

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