南京理工&深圳大學Advanced Materials：第五主族二維材料的研究現狀和未來前景

【前言】

近年來，第五主族二維材料展現出優越的電學性質，引起了全世界的研究熱潮，并被應用于包括場效應晶體管、光電器件、傳感器、生物治療、能源存儲等領域，成為以石墨烯為代表的新型二維材料家族中的重要成員。與此同時，許多研究者們通過元素化合的手段對第五主族單元素材料的性質進行有效調控，合成了一系列擁有豐富電學和光學性質的二維V-V二元材料，在自旋電子器件和光電器件領域展現了極大的應用潛力，進一步拓寬了第五主族材料的器件應用。

【成果簡介】

近日，南京理工大學曾海波教授團隊青年教授張勝利和深圳大學張晗教授團隊合作，以“2D V-V Binary Materials: Status and Challenges”為題在Advanced Materials上發表綜述文章，南京理工大學郭詩穎和深圳大學張豫鵬為該綜述論文的共同第一作者（Advanced Materials, 2019, 31, 1902352）。

根據原子軌道線性組合理論，由于第五主族元素（氮、磷、砷、銻、鉍）的原子半徑和電負性的不同，通過元素化合后的V-V二元材料的電子結構會不同于單元素材料，從而實現對電子結構的有效調控（如圖1）。曾海波團隊理論預測了一系列二維V-V二元材料，例如，二維黑磷砷材料擁有合適的直接帶隙（1.54 eV）和超高遷移率（>14 000 cm²V^?1s^?1），并且還具備高太陽能轉換效率的優勢，有望成為太陽能電池的替代材料（Nano Energy 2016, 28, 433；Phys. Rev. B 2016, 93, 245303；Nanoscale Horiz. 2019, 4, 1145）。

【圖文導讀】

圖1. （a-b）兩種元素原子軌道線性組合。（c）第五主族元素的原子半徑和電負性。（d）二維V-V二元材料原子結構。

該綜述文章系統地概述了二維V-V二元材料從理論到實驗的研究進展。首先介紹了二維V-V二元材料的原子結構特征，電子結構性質及各種調控手段，并基于電荷、軌道、晶格、自旋等自由度的相互作用加以理解說明。隨后，文章總結了目前二維V-V二元材料的實驗制備方法和進展，以及它們在電子器件、光電器件、熱電、催化等方面的實際應用。同時，文章從二維V-V二元材料的研究現狀出發，闡明了現下領域面臨的主要挑戰是缺乏實現大面積且可控的制備二維V-V二元材料的方法，尤其是亟需發展化學氣相沉積合成手段。此外，該綜述還強調了二維V-V二元材料獨特的光電性質為其在光調制器、中紅外器件、集成光子學和光熱治療等光電領域的實際應用提供了強大的機遇。該綜述不僅能夠幫助全面了解二維V-V二元材料的最新研究進展，還啟發了對其他第五主族二維材料衍生物的創新性研究。

圖2. 二維V-V二維材料及其應用。

【團隊介紹】

南京理工大學曾海波教授團隊長期著眼于第五主族二維半導體材料的研究，理論上從關鍵性質到實際應用深入研究，取得了一系列有影響力的研究成果，先后在Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Comm.等刊物發表多篇高水平論文。該團隊率先理論預測了銻烯砷烯二維半導體材料（Atomically thin arsenene and antimonene: Semimetal-semiconductor and indirect-direct band-gap transitions, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 3112），被Nature以專題亮點評論為“新型二維光電材料”，同時也獲得了Nano Werk、Chemistry Views、Material Views等十余家學術媒體的亮點報道，之后在理論上進一步系統地探索了二維第五主族材料及其衍生物的關鍵物理性能（Semiconducting group 15 monolayers: A broad range of band gaps and high carrier mobilities, Angew. Chem. 2016, 128, 1698；Antimonene oxides: Emerging tunable direct bandgap semiconductor and novel topological insulator, Nano Lett. 2017, 17, 3434；Van der Waals bilayer antimonene: A promising thermophotovoltaic cell material with 31% energy conversion efficiency, Nano Energy 2017, 38, 561），隨后通過范德華力外延生長等方法成功制備出銻烯納米片（Two-dimensional antimonene single crystals grown by van der Waals epitaxy, Nat. Comm. 2016, 7, 13352；Modulating epitaxial atomic structure of antimonene through interface design, Adv. Mater. 2019, 31, 1902606），并探索了第五主族二維材料在離子電池、光電催化等領域的應用潛力（Black phosphorene as a hole extraction layer boosting solar water splitting of oxygen evolution catalysts, Nat. Comm. 2019, 10, 2001；Ultra-thin bismuth nanosheets for stable Na-ion batteries: Clarification of structure and phase transition by in situ observation, Nano Lett. 2019, 19, 1118）。此外，基于第五主族二維材料的研究進展，該團隊還撰寫了相關綜述論文，發表于頂級學術期刊《Chemical Society Reviews》（Recent progress in 2D group-VA semiconductors: from theory to experiment, Chem. Soc. Rev. 2018, 47, 982）。

深圳大學張晗教授團隊長期從事二維材料物理與器件研究，在二維光電材料制備及器件應用的基礎研究方面取得了一系列原創性成果，在微納光電子領域產生了重要影響，為中國光電材料與器件研究在國際上占有一席之地做出了貢獻。近五年, 張晗教授以通信作者發表IF>10期刊論文超過50篇，包括Nature Communications 5篇， Physic Reports 2篇，Chemical Society Reviews 3篇, Science Advance, PNAS, Advanced Materials 10篇等。其中超過50篇論文引用過百次，ESI高被引論文48篇。論文總被引超過22, 000次，H因子為75。

本文由課題組供稿。

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