吉大張立軍團隊AFM：具有提升電子性質的二維半導體硒化銦新相

背景介紹

作為重要的二維半導體材料，硒化銦（InSe）具有高達1×10³?cm²V^-1s^-1的室溫電子遷移率，及超寬的光譜響應范圍（從體相減薄至單層，帶隙值可增加1.0 eV）等特點，因而在電子和光電子器件，如場效應晶體管、光電探測和影像傳感等領域有重要應用價值。目前實驗上報道研究的硒化銦主要有三個相，分別是β相、γ相和ε相，均由同種單層結構（D_3h）按照不同的層間堆積方式構成。眾所周知，許多二維材料具有不同類型的單層結構以及由其構成的不同物相，例如：碳元素可以形成石墨烯和石墨炔，磷元素可以形成單層黑磷和單層藍磷，過渡金屬硫化物存在單層1H和1T相，等等。多樣化的單層結構、以及由其構成的不同物相，極大地調控了二維材料的本征物性、拓展了二維材料的應用范圍。那么，二維半導體硒化銦是否存在由不同單層結構構成、具有不同性質的新相呢？

成果簡介

近日，吉林大學張立軍教授團隊從理論上設計出一類由新型單層結構構成的二維半導體硒化銦新相，并呈現出提升的電子性質。結合人工智能粒子群優化算法與第一性原理計算，設計的硒化銦新相由D_3d單層構成，D_3d單層與已知D_3h單層截然不同，具有中心反演對稱性。新相表現出熱力學和動力學方面的穩定性。與已知的β、γ和ε相相比，新相呈現出更寬的光譜響應范圍和提升的電子遷移率。基于實驗上的結構表征和光譜學測量手段，如X射線衍射、拉曼光譜、二次諧波等，新相可被有效鑒別。研究成果以”New Polymorphs of Two-Dimensional Indium Selenide with Enhanced Electronic Properties”為題發表在期刊Adv. Funct. Mater.上。論文第一作者是吉林大學已畢業博士生孫遠慧（現在美國加州州立大學做博士后研究），張立軍教授為論文的唯一通訊作者。本工作得到國家基金委優青、面上項目的資助，由英國諾丁漢大學的Amalia Patane?教授和美國阿肯色州立大學的Koushik Biswas教授合作完成。

圖文解讀

圖一、硒化銦新相的發現：結合人工智能粒子群優化算法與第一性原理計算，對結構搜索設計演化圖中的低能區結構進行系統分析，發現三種由新型單層結構(D_3d)堆砌形成的新相（δ(D_3d)相、ω(D_3d)相和(D_3d)相）。D_3d單層與已知D_3h單層截然不同，具有中心反演對稱性。

???

(a) 結構搜索中硒化銦結構的能量隨代數的演化。

(b) 低能區域存在的三種單層結構。

(c) 由D_3d單層按不同方式堆砌而成的三種硒化銦新相。

圖二、硒化銦新相的穩定性分析：開展相變勢壘、室溫和高溫下的分子動力學模擬以及聲子穩定性方面的研究，發現新相表現出熱力學和動力學方面的穩定性。

(a) 新型D_3d單層向已知D_3h單層結構轉變的勢壘圖。

(b) D_3d單層結構不同溫度下的分子動力學模擬。

(c) D_3d單層結構的聲子譜圖。

(d) 由D_3d單層按不同方式堆砌而成的三種硒化銦新相的聲子譜圖。

圖三、硒化銦新相的電子結構：對比了三種硒化銦新相的帶隙值隨層數的變化，發現其中的δ(D_3d)相具有高達1.5 eV的寬帶隙變化范圍，顯著寬于其它結構（1.2~1.3 eV）。原因是該堆砌方式的層間距離較短，隨層數增加時，層間耦合作用可以更為迅速地提升價帶頂能級，從而降低帶隙。

(a) D_3d單層和D_3h單層結構的軌道投影能帶圖。

(b) 不同硒化銦物相的帶隙值隨層數的變化趨勢。

(c) 不同硒化銦物相的層間差分電荷分布情況。

圖四、硒化銦新相的電子遷移率：利用基于有效質量近似和形變勢方法計算得到的新相電子遷移率也均高于同等厚度下的已知相。

(a) 不同硒化銦物相沿armchair方向隨層數變化的電子遷移率。

(b) 不同硒化銦物相沿zigzag方向隨層數變化的電子遷移率。

圖五、硒化銦新相的實驗鑒別：X射線衍射法可以有效地區分大部分物相，而其中無法區分的(D_3d)相和γ(D_3h)相可通過拉曼光譜（150~200 cm^-1區間存在差異）進行鑒別。此外，不同類型的物相隨層數變化時，對二次諧波信號的響應情況有所不同。

(a) 不同硒化銦物相的X射線衍射圖。

(b) (D_3d)相和γ(D_3h)相的拉曼光譜圖對比。

總結與展望

綜上所述，作者利用結合人工智能粒子群優化算法與第一性原理計算的全局材料結構搜索，從理論上設計出一類由新型單層結構構成的二維半導體硒化銦新相。設計的硒化銦新相由具有中心反演對稱性的D_3d單層構成，表現出熱力學和動力學方面的穩定性。與硒化銦的已知物相相比，新相呈現出更寬的光譜響應范圍和提升的電子遷移率。理論預測的新相期待實驗合成的證實。基于實驗上的光譜學測量手段，如X射線衍射、拉曼光譜、二次諧波等，新相可被有效鑒別。

文獻信息

New Polymorphs of 2D Indium Selenide with Enhanced Electronic Properties（Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202001920）

文章鏈接

https://doi.org/10.1002/adfm.202001920

通訊作者簡介

張立軍教授：吉林大學集成光電子國家重點實驗室/材料學院教授，國家海外高層次青年人才引進計劃入選者（2014）、基金委優秀青年基金獲得者（2017）。2008年在吉林大學獲理學博士，2008－2014年先后到美國橡樹嶺國家實驗室、美國國家可再生能源實驗室、美國科羅拉多大學波爾得分校任博士后研究員、研究助理教授。長期聚焦半導體光電材料，基于半導體理論計算，應用自主研發的材料設計方法與軟件，開展材料設計與物性調控研究，多個從理論上設計預測的新型光電半導體與新物性調控思路得到實驗證實。迄今共發表SCI論文120余篇，所有論文共被引用6300余次，h因子值43。自2014年回國入職以來，作為第一/通訊作者在Nat. Rev. Mater. (1), Nat. Photonics (1), Nat. Commun. (5), Nano Lett. (4), Adv. Funct. Mater. (3), J. Am. Chem. Soc. (5)等SCI期刊上發表論文50余篇。獲中國材料研究學會計算材料學分會“計算材料學青年獎”（2018）、吉林省青年科技獎—特等獎（2019）。受邀在美國材料研究學會（MRS）春季會議、新加坡先進技術材料國際會議（ICMAT）等國際會議上做特邀報告近20次。擔任科技部重點研發計劃課題負責人，Nano Research期刊“Young Star Editor”、《半導體學報》及《中國光學》期刊編委，Nature等期刊審稿人。