李绍春课题组成功实现具有黑磷结构的窄带隙半导体型单层锑烯

李绍春课题组成功实现具有黑磷结构窄带隙半导体型单层

南京大学物理学院李绍春课题组长期从事二维层状材料的外延生长和调控探索新奇的量子现象。近日,课题利用界面工程方法实验上首次外延生长出呈现半导体特性黑磷结构alfa单层锑烯αantimonene相关研究成果"Tuning the Electronic Structure of an αAntimonene Monolayer through Interface Engineering"为题于1016在线发表在Nano Lettershttps://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c03704

Sb与磷P属于五主元素alfa具有黑磷完全相同的结构,而且被认为稳定。然而自然界中并不存在alfa相的锑单晶,很难通过机械剥离的方法获得相应的单层在此之前,该课题组已探索制备高质量alfa单层锑烯外延方法并证明了在空气中可以稳定存在,相关成果已于2018发表Advanced Materialshttps://doi.org/10.1002/adma.201806130 实验结果表明由于衬底的耦合使得alfa单层锑烯呈现金属态,并费米面存在线性色能带与理论本征窄带半导体一致。鉴于光电器件领域潜在应用价值,实现半导体型单层锑变得更为重要。

该课题组发现界面处电荷转移晶格应力是导致单层锑烯金属化的主要因素如何同时减少界面电荷转移效应晶格应力成为实现本征半导体型单层锑烯的关键问题由于单层锑烯的本征带隙很小(小于200 meV),微小的衬底耦合使带隙消失,因此调控工作非常困难。基于前期的研究基础,该课题组继续致力于通过界面工程来调控单层锑烯电子结构最近该团队借助分子束外延技术SnSe衬底上生长出alfa的单层和多层锑烯,并利用描隧道显微镜(谱)表征原子结构电子态。由于晶格适配性,单层锑具有近自由状态freestanding的晶格结构同时界面处的电荷转移也被完美地抑制从而使得外延单层锑呈现半导体电子态(能隙为~170 meV)。随着厚度增加双层开始发生半导体-金属转变理论预期一致结合第一性原理计算证明SnSe衬底上外延锑表现自由状态锑非常接近晶格和电子结构另外通过对比实验发现,界面电荷转移使得MoTe2衬底上的外延锑烯呈现出金属性。该工作展示了如何通过界面工程来精准调控带隙单层的电子结构,而半导体型单层锑本身有望在未来应用领域发挥作用

一:利用界面工程在SnSe衬底上外延窄带隙半导体型单层锑烯


: SnSe衬底上afla单层锑烯的外延生长与表征. (a)SnSe衬底外延生长单层锑烯的示意图; (b) SnSe的形貌和原子分辨图; (c)SnSe以及不同层Sb外延的RHEED图案; (d) Sb外延在SnSe上的形貌图; (e) Sb外延在SnSe衬底上原子分辨图; (f) Sb原子分辨的傅里叶变换图


: STM/STS1-3层生长在SnSe衬底上的aflaSb的表征. (a-c) Sb外延在SnSe1-3层原子分辨图; (d)1-3SbdI/dV; (e-g)费米面附近 1-3SbdI/dV谱的对数格式


该工作南京大绍春课题组多个研究团队合作完成。李绍春课题组负责课题构思、实验设计样品制备和表征中国科学技术大学朱文光教授课题组完成相关第一性原理计算南京大学物理学院陈延彬教授和现代工学院吕洋洋研究员SnSeMoTe2单晶衬底南京大学物理学院高力波教授负责拉曼测量南京大学物理学院博士生石志强(已毕业)薛成龙、袁茜茜以及中科大博士生慧平论文的共同第一作者李绍春教授和朱文光教授为共同通讯作者。南京大学论文的第一单位。

该工作得到了国家自然科学基金国家重点研发计划、中科院战略重点研究项目的经费支持并得到了南京大学固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心和江苏省纳米技术重点实验室的大力支持

论文链接https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c03704