北航JACS：三磷化銦單層的可調磁性及其優異的太陽光吸收性能

【引言】

自發現石墨烯以來，原子級單層二維（2D）納米材料因其特殊的性能和廣闊的應用前景而倍受關注。二維納米材料的類別也在不斷擴大，包括硅、鍺、磷同素異形體和過渡金屬硫化物。目前，它們在場效應晶體管、發光器件、光伏太陽能電池和光催化劑中的潛在應用已得到深入研究。然而，2D晶體的誘導控制磁性仍然是一個挑戰。對于自旋電子器件而言，擁有可調磁性和半金屬性的新型2D材料仍是急需的。此外，為有效用于光伏和光電子領域，仍在尋求具有合適帶隙和光學性質的2D晶體，這要求材料擁有覆蓋整個可見光波長且足夠大的光吸收系數。為此，尋找具有光伏太陽能電池所需的電子和光學性能的新型二維半導體具有非常重要的意義。

【成果簡介】

近日，北京航空航天大學孫志梅教授（通訊作者）團隊在J. Am. Chem. Soc.上發表了題為“Tunable Magnetism and Extraordinary Sunlight Absorbance in Indium TriphosphideMonolayer”的文章。在這篇文章中，研究工作者通過第一性原理計算等方法預測了一種新型半導體2D材料——三磷化銦（InP₃）單層并系統研究了其相關性能。2D InP₃晶體顯示出高穩定性和實驗合成的可能性。它具有1.14eV的間接帶隙和高電子遷移率，并可以通過施加應變來調控。研究表明，InP₃單層在空穴摻雜或存在缺陷的情況下顯示出可調磁性和半金屬性，這歸因于其電子結構中的類Mexican-hat能帶和van Hove奇點。通過電子摻雜，2D InP₃還會發生半導體-金屬轉變。此外，單層InP₃在整個可見光光譜范圍內表現出超強的伴有激子效應的光學吸收性能。這些研究表明，2D InP₃有可能在未來諸多技術中得到應用，尤其是在電子、自旋電子和光伏等器件中。

【圖文導讀】

圖一：InP₃的晶體結構

(a)沿c軸的2×2平面層觀測到的俯視圖。

(b)沿b軸的2×1平面層觀測到的側視圖。

(c)計算得到的塊狀InP₃的能帶結構。費米能級設置為0 eV。

圖二：InP₃單層的電子結構

(a)InP₃單層的能帶結構。0 eV處的虛線表示費米能量。

(b)InP₃單層的態密度。

(c)InP₃單層的電子局域密度函數。

(d)使用HSE06計算得到的各種應變下其正交超胞的電子帶隙。

圖三：InP₃單層的磁性特征

(a)InP₃單層的磁矩和磁能與載流子密度的函數關系。

(b)空穴濃度為1.25×10¹⁴ cm^-2的自旋投影態密度。插圖描繪了相應的自旋電荷密度等值面。

圖四：InP₃單層的光學性能

與可見光波長（380-750 nm）的本征硅的實驗光譜相比，用DFT和TDHF計算得到的2D InP₃單層的平面（xx = yy）吸收系數。黑條表示振蕩強度（右y軸）。灰色背景表示參考太陽光譜輻照度。

圖五：InP₃單層的剝離性能

計算得到的石墨和InP₃的剝離能與分離距離d的函數關系。d₀表示晶體中相鄰層之間的范德華間隙。

圖六：InP₃單層的穩定性

(a)InP₃單層的聲子色散曲線。

(b)在0-10 ps的AIMD模擬中，單層InP₃的結構及總能量的演變。

【小結】

在該文章中，作者運用計算方法在理論上預測了一種新的二維半導體InP₃，它顯示出各種特殊的電子特性。單層InP₃具有弱間接帶隙（1.14 eV）并且表現出高電子遷移率（1919 cm²V^-1s^-1）。研究表明，2D InP₃晶體在其帶結構中顯示出電子不穩定性，即費米能級附近有類Mexican-hat能帶和van Hove奇點，這導致了壓縮和拉伸應變對其電子結構的非單調響應。由于這些帶特征，可以通過p型摻雜（空穴濃度從5.04×10¹³到1.72×10¹⁴ cm^-2）或引入缺陷（用Ge取代P原子）來誘導和調節鐵磁和半金屬態。在InP₃單層電子或高濃度空穴摻雜下，會發生半導體-金屬轉變。此外，InP₃單層具有超強的光吸收性能（10⁵ cm^-1），在整個可見光太陽光譜中具有顯著的激子效應，其性能優于硅，與單層MoS₂相當。最后，InP₃單層顯示出良好的晶格動力學和熱穩定性，并且有望通過剝離由其層狀晶體得到。該工作表明，二維InP₃晶體是可用于納米級電子、光伏和自旋電子等方面的潛在候選材料。

文獻鏈接：Tunable Magnetism and Extraordinary Sunlight Absorbance in Indium Triphosphide Monolayer（J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b05133）

本文的第一及通訊作者單位皆為北京航空航天大學，第一作者為繆奶華副教授，通訊作者為孫志梅教授。繆奶華副教授于2015年獲得比利時列日大學物理學博士學位，2016年入選北航“卓越百人”計劃，長期從事材料物性的第一性原理計算和分子動力學模擬等，相關工作發表在JACS，ACS Nano, Nano Energy，APL，JPCC等期刊上。孫志梅教授多年來一直從事計算材料學、材料制備與表征、材料結構與性能關系等方面的研究工作，在相變/阻變存儲材料及二維材料的設計、模擬和制備表征研究中取得了顯著進展，在PNAS，Phys. Rev. Lett.，JACS，Nano Lett.，ACS Nano，Appl.Phys. Lett.，Phys. Rev. B，Acta. Mater.，Nano Energy等SCI期刊上發表論文140余篇。

本文由材料人編輯部計算材料組daoke供稿，材料牛整理編輯。

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