帶隙是什麼
【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，其性質分別源於石墨烯中的sp
2
鍵和磷烯中的非平面sp
3
鍵。碳或磷原子的三配位構型有利於平面結構的形成。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矽（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/間接帶隙半導體特徵的PC單層。多種不同結構的出現可歸因於sp
2
和sp
3
鍵之間的競爭。隨後，透過將碳原子摻雜到磷烯中的實驗證實了預測的α
1
-PC相。值得注意的是，含有少層PC的 FET具有高達1995 cm
2
·V
-1
·s
-1
的空穴遷移率，與理論計算一致。此外，由少層PC製成的紅外光電電晶體表現出良好的響應性和探測效能。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效能的二維 P
x
C
y
材料。
近日，
東北師範大學劉益春教授、楊國春教授（共同通訊作者）等
利用第一性原理無偏結構搜尋計算探索具有功能特性的新型類石墨烯PC
6
單層，並在
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。PC
6
單層是直接帶隙半導體，帶隙值為0。84 eV，具有極高的本徵導電性和各向異性特徵（即沿扶手椅鏈方向的電子遷移率為2。94 × 10
5
cm
2
·V
-1
·s
-1
，而沿“Z”字形鏈方向的空穴遷移率達到1。64 × 10
5
cm
2
·V
-1
·s
-1
），與石墨烯相當。另一方面，PC
6
在300至2000 nm的寬頻中具有高吸收係數（10
5
cm
-1
）。另外，其在5 %的雙軸應變以內仍可保持直接帶隙特徵。上述優越性質使預測的PC
6
單層有望在電子和光伏器件中得到應用。
圖1 PC
6
單層的原子結構
a， b）預測PC
6
單層的頂檢視和側檢視，黑色虛線表示晶胞；
c） P
C
6
單層中的基本構築單元（P
6
C
18
）；
d， f， g）
PC
6
單層的電子局域函式（ELF）影象，
PC
6
中
C
6
環中的化學鍵與石墨烯（d和e）中的化學鍵相同，並且在P原子周圍出現孤電子對（g）；
e） 石墨烯的電子局域函式（ELF）影象。
圖2 PC
6
單層的能帶結構
a） 用HSE06方法計算P
C
6
單層的電子能帶結構，水平虛線表示費米能級；
b）
C
6
環中的C原子和PC
3
單元中的P和C原子的PDOS；
c，d） VBM分解電荷密度的頂檢視和側檢視；
e，f） CBM分解電荷密度的頂檢視和側檢視。
圖3
PC
6
單層的面內吸收係數
BSE方法計算的P
C
6
單層的面內吸收係數，黃色背景為參考的太陽光譜輻射。便於比較，石墨烯、二硫化鉬、磷烯、PC單層和體相矽的吸收譜也包含在內。
【小結】
綜上所述，作者應用第一性原理叢集智慧結構搜尋計算來預測迄今尚未發現的褶皺類石墨烯半導體P
C
6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徵，可有效地隨應變調節。由於其獨特的鍵排列（即C-C sp
2
和P-C sp
3
雜化），PC
6
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PC
6
單層有望在光電子器件中得到應用。
文獻連結：Two-Dimensional PC6 with Direct-Band Gap and Anisotropic Carrier Mobility
（
J。 Am。 Chem。 Soc。
，2019， DOI： 10。1021/jacs。8b11350）
本文由材料人編輯部abc940504編譯整理。
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