Nature Electronics：二維C3N能帶調控技術加速智能電子時代的到來

背景介紹

以碳納米材料為基礎的電子學研究一直是學術界和工業界關注的熱點。然而，碳基電子學的廣泛應用仍然受到巨大的技術挑戰的限制。例如，基于半導體碳納米管的場效應晶體管(FET)已經得到了廣泛的探索，因為這種材料具有中等大小的帶隙。然而，納米管通常是由不同手性和直徑的金屬管和半導體管混合合成的，如何控制手性和直徑(以及相關的電子帶隙)仍然是一個挑戰。石墨烯等碳材料由于具有高機械強度、電導率和導熱性等特性，在電子器件的開發中具有潛在用途。石墨烯在低溫下的載流子遷移率超過2 × 10⁵?cm²V^?1s^?1，因此在高速晶體管中也是一種很有前途的材料。然而，它不適合作為FET的溝道材料，因為它沒有帶隙，溝道是FET正常工作的先決條件。通過將石墨烯繪制成窄帶，已經引入了高達400 meV的帶隙，但制造過程仍面臨重大挑戰，載流子遷移率大大低于典型的石墨烯。

調整石墨烯電子性質的一個有前途的方法是用氮原子取代碳原子。這同時導致石墨烯的帶隙打開，并轉變為n型半導體。然而，形成高度規則的二維(2D)碳氮化合物晶體結構是困難的，這使得大多數合成的碳氮化合物薄膜不適合納米電子應用。晶體C₃N是一種二維碳基半導體，由均勻分布的碳原子和氮原子組成，呈石墨烯狀結構，幾十年來一直被認為是一種穩定的二維半導體材料。最近，晶體C₃N被制造出來，并顯示出出色的機械和電子性能

通過層間范德華(vdW)耦合來設計二維半導體的光學和傳輸特性是二維電子學發展的關鍵。層間相互作用可以通過兩種主要方法進行控制:設計層間疊加結構或應用外部場。據報道，大多數二維半導體(包括過渡金屬二鹵族(TMDs)、黑磷(BP)和硒化銦)的禁帶隨厚度的增加而減小。另外一個自由度是相鄰層之間的扭曲角度，可以使用轉移方法或原子力顯微鏡(AFM)尖端操作來實現。具有不同堆疊模式的二維半導體層——包括MoS₂、WSe₂和黑磷——已經證明了可調諧能帶和光學特性。層狀結構的電子性質也可以通過外加電場實現調制，已經從理論上和實驗上報道了雙層石墨烯10?nm厚黑磷和雙層TMDs (如MoS₂、MoSe₂、MoTe₂和WS₂)的能帶調諧。盡管已經觀察到各種二維材料的大量帶隙調制，但碳基材料顯示出有限的帶隙調節。

成果簡介

隨著硅基技術達到絕對極限，華東師范大學，澳洲昆士蘭大學，上海微系統與信息技術研究所，中國科學院大學，蘇州大學，澳門科技大學，寧波大學聯合研究小組設計的一種材料可能預示著下一代電子產品將擁有更大的內存、更快的速度和更先進的功能。這種碳基材料可以促進納米電子市場的增長，預計到2027年，納米電子市場的價值將達到1620億美元。昆士蘭大學澳大利亞生物工程與納米技術研究所(AIBN)和化學與分子生物科學學院(SCMB)的Debra Bernhardt教授說，潛在的應用包括電信、自動接入系統和醫療設備。

聯合研究小組設計了一種材料，將氮原子包含在兩層蜂窩狀石墨烯中，然后對這兩層進行了移動和扭曲實驗。這種材料——C3N雙層材料——有潛力擴展納米電子學的能力，在更小的區域實現更多的功能。改變這些層的排列方式，就可以為不同的設備量身定制電流，這在石墨烯中是不可能實現的。

Bernhardt?教授認為新的結構使各種電子元件的生產成為可能，這些元件可以組合在一起，生產出需求和功能多樣的電子產品，如冰箱和智能手表。它結合了理論預測和實驗研究，開發了新設備，可用于許多應用，如計算機存儲和柔性電子。這項研究是重要的一步，但還需要做更多的工作，以更容易地以更低的成本生產這種材料。

圖文解析

圖1. 雙層C₃N的堆垛和帶隙。

a, AA, AA '，AB, AB '疊加的C₃N單層和C₃N雙層示意圖。

b, 扭曲角為θ的C₃N雙分子層的原理圖。

c, 雙層C₃N的結合能(黑色方塊)和帶隙(紅色圓圈)與扭曲角的關系。

圖2. AA, AA '， AB, AB '堆垛C₃N雙層的能帶結構和部分電荷分布。

a, AA, AA '，AB和AB '堆垛的單層和雙層C3N的能帶結構和DOS。

b, AA, AA '，AB和AB '堆垛的C3N單層和雙層的CBM和VBM的部分電荷密度(俯視圖)。

圖3. C₃N雙層結構

a,b, HAADF-STEM圖像(a)和AA '堆垛的C₃N雙層幾何結構(b)。

圖4.?外加電場誘導的C₃N雙層帶隙工程。

a，外電場作用下CBM和VBM的電荷密度分離。

b, AB '疊加的C₃N雙層在不同固定底柵電壓(V_b)下的電阻隨頂柵電壓(V_t)變化的關系。

c，實驗測量的(紅點)和DFT計算的能帶隙的與平均電位移場(DAV)的關系。

d, 在不同的應用位移場D_AV，C₃N雙層在CNPs (δD = 0)處的gate-induced吸收光譜。

小結

C₃N雙層的帶隙可以通過控制疊加順序或外加電場的作用而得到有效的調制。利用DFT計算方法，比較了具有4種對稱(AA, AA'，AB和AB')疊加構型和5種不同扭曲角度的非對稱結構的單層C₃N和雙層C₃N的幾何結構、能量穩定性和電子性質。計算和實驗表明，AA'和AB'堆垛的雙層比分離的單層和AA和AB堆垛的雙層在能量上更有利。相比之下，AA' (0.30 eV)堆垛的C₃N雙層的禁帶比AB' (0.89 eV)小得多，兩者都比單層(1.23 eV)小得多。VBM和CBM中p_z軌道的層間強耦合解釋了導致禁帶減小的物理機制。理論分析還表明，外加垂直電場使AB'堆垛的C₃N層的帶隙減小。在FET器件中對C₃N雙層樣品進行了實驗，并利用紅外顯微光譜技術證實了C₃N中疊加誘導和電場誘導的帶隙調制。在1.4 V nm^?1的外加電場作用下，AB'層的帶隙調制變化為0.6 eV。廣泛可調諧的帶隙，以及高穩定性、大載流子遷移率和高開/關比的組合，使C₃N雙層成為碳基FET以及其他電子和光電器件的有前途的材料。

文獻鏈接：Bandgap engineering of two-dimensional C3N bilayers，Nature Electronics，2021，DOI：10.1038/s41928-021-00602-z.

本文由納米小白供稿。?