上海微系統(tǒng)所在Nature Electronics報(bào)道新型碳基二維半導(dǎo)體材料基本物性研究重大進(jìn)展
2021-11-01
來源：中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)信息技術(shù)研究所
以石墨烯為代表的碳基二維材料自發(fā)現(xiàn)以來受到了廣泛關(guān)注。然而，石墨烯的零帶隙半導(dǎo)體性質(zhì)嚴(yán)重限制了其在微電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用。針對該情況，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所楊思維博士，丁古巧研究員等人自2013年開展新型碳基二維半導(dǎo)體材料的制備研究，2014年1月成功制備了由碳和氮原子構(gòu)成的類石墨烯蜂窩狀無孔有序結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體C3N單層材料（圖1），并發(fā)現(xiàn)該材料在電子注入后產(chǎn)生的鐵磁長程序。相關(guān)成果于2017年2月以封面論文形式發(fā)表于Adv. Mater.（C3N—A 2D Crystalline, Hole‐Free, Tunable‐Narrow‐Bandgap Semiconductor with Ferromagnetic Properties, Advanced Materials）。C3N的成功合成彌補(bǔ)了石墨烯無帶隙的重大缺憾，為碳基納米材料在微電子器件的應(yīng)用提供了新的選擇，并引起了廣泛關(guān)注。然而，相比于目前研究已經(jīng)比較成熟的石墨烯，C3N的研究起步較晚，該材料的基本物性研究仍有大量空白有待填補(bǔ)。
圖1. C3N晶格結(jié)構(gòu)及氫化后鐵磁長程序
上述工作發(fā)表同時(shí)，楊思維博士于2016年初步實(shí)現(xiàn)AA'及AB'堆垛雙層C3N的制備（圖2）。在此基礎(chǔ)上，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所丁古巧研究員團(tuán)隊(duì)與華東師范大學(xué)袁清紅研究員團(tuán)隊(duì)通過近5年努力，借助實(shí)驗(yàn)技術(shù)與理論研究，在雙層C3N的帶隙性質(zhì)，輸運(yùn)性質(zhì)等研究領(lǐng)域取得重大突破，結(jié)果進(jìn)一步證明雙層C3N在納米電子學(xué)等領(lǐng)域的重要應(yīng)用潛力。
圖2. AA'（a-c）及AB'（d-f）堆垛雙層C3N的HAADF-STEM圖像
該工作證明了通過控制堆垛方式實(shí)現(xiàn)雙層C3N從半導(dǎo)體到金屬性轉(zhuǎn)變的可行性。與本征帶隙為1.23 eV的單層C3N相比，雙層C3N的帶隙大致可以分為三種：1）接近金屬性的AA和AA'堆垛；2）帶隙比單層減少將近30%的AB和AB'堆垛；3）與單層帶隙相近的雙層摩爾堆垛。上述帶隙變化可歸因于頂層與底層C3N間pz軌道耦合下費(fèi)米能級附近能帶的劈裂。在雙層之間相互作用勢接近的前提下，價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底波函數(shù)重疊的數(shù)目決定了能帶劈裂程度，進(jìn)而影響帶隙。其中AA 、AA'、AB 、AB'等雙層C3N中，兩層波函數(shù)重疊的數(shù)目存在兩倍關(guān)系，帶隙劈裂值為近似兩倍關(guān)系。而對于雙層摩爾旋轉(zhuǎn)條紋結(jié)構(gòu)，上下層原子基本錯(cuò)開，pz軌道的重疊有限，其因此帶隙與單層C3N接近。
更重要的是，研究還發(fā)現(xiàn)通過施加外部電場可實(shí)現(xiàn)AB'堆垛雙層C3N帶隙的調(diào)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在1.4 V nm-1的外加電場下，AB'堆垛的雙層C3N的帶隙下降約0.6 eV，實(shí)現(xiàn)從半導(dǎo)體到金屬性的轉(zhuǎn)變（圖3）。
圖3. 雙層C3N在電場下的帶隙調(diào)制
上述工作是C3N材料實(shí)驗(yàn)與理論研究的又一重要突破，為進(jìn)一步構(gòu)建新型全碳微電子器件提供了重要的支撐。相關(guān)研究成果以“Stacking-Induced Bandgap Engineering of 2D-Bilayer C3N”為題在線發(fā)表于Nature Electronics。
論文第一作者為華東師范大學(xué)在讀博士生魏文婭，中科院上海微系統(tǒng)所助理研究員楊思維博士，寧波大學(xué)副教授王剛博士。通訊作者為華東師范大學(xué)袁清紅教授，中科院上海微系統(tǒng)所丁古巧研究員、蘇州大學(xué)康振輝教授、昆士蘭大學(xué)Debra J. Searles院士。該工作研究期間，微系統(tǒng)所丁古巧、楊思維團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)雙層C3N的制備、堆垛調(diào)制、結(jié)構(gòu)表征、器件制備；華東師范大學(xué)袁清紅研究員團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)雙層C3N物理機(jī)制闡述；寧波大學(xué)王剛副教授團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)雙層C3N光電探測應(yīng)用演示。
